20世紀初，量子熱學剝開長久以來困惑數學學界的烏云，橫空出世，從根本上改變了人們對微觀世界的理解。歷經百年，它除了成為數學、化學、天文、生命等學科在內的整個現代自然科學的支柱，并且推動了一系列現代科技的發展。
現現在，盡管“量子”這個名詞在普通大眾的視野中印見頻繁，但它神秘的面紗卻鮮為人揭。
國際量子信息實驗領域開拓者之一、著名數學學家、中國科大學教授潘建偉，帶我們品位量子熱學、量子信息科學中深刻而豐富的化學內涵，及其在現代科學技術中發揮的重要作用。
和許多求知若渴的化學學家一樣，潘教授對量子熱學的鉆研，源于對精典與量子熱學背后數學內涵的深入思索。
眾所周知，在精典數學中，一旦了解了一個粒子的初始狀態，其未來的運動狀態原理上都是可以被精確預言的。
這么，如今發生的一切風波，雖然從宇宙大爆燃伊始就全都被決定了，既然這么，個人的努力還有意義嗎？
對待這些機械決定論的觀點，霍金有過一個特別有趣的評價：雖然相信一切都是上天注定的人，在過馬路時也會左右看，以免被車撞死。
而量子熱學的誕生，革新了我們對世界的認識——世界本質上是帶有隨機性的。
這些對世界全新的認識，早年間在數學學界引起了巨大的爭辯，愛因斯坦曾指責：上帝是不擲色子的，他覺得這些隨機性的背后應當由更基本的確定性支配。
圖1
與精典世界中所有物體都處于確定的狀態不同，在量子世界中，物體可以處于不同狀態的疊加。
一個為人熟知的思想實驗是薛定諤的貓，量子世界中的貓可以處在又死又活的疊加狀態（圖1），直至外界對它進行觀測，這個疊加態就會塌縮到精典的狀態，死貓或則活貓。
量子世界中容許疊加狀態存在的特點，造成了好多與精典化學不同的結果。
比如在精典世界中，我們可以通過檢測一個物體獲得它的全部信息，并進行克隆。但量子熱學告訴我們，對未知量子態的檢測會擾動其初始狀態，致使未能獲得原件的全部信息，致使單個未知的量子態未能被精確克隆，而這也是量子密碼安全性的基礎。
除此之外，量子熱學的革命還促使了包括計算機、互聯網、GPS等諸多現代技術的發展。
隨著科技的進步，現代信息技術的發展面臨著許多困局問題。
首先，網路信息安全面臨嚴重的恐嚇。傳統信息安全依賴于加密算法，而加密算法的安全性依賴于估算復雜度，隨著估算能力的提高，這種算法在原理上就會被破解。
據悉，估算能力的發展也遇見了困局。發展算力的傳統方法主要是降低晶體管的集成度，但這最終會促使晶體管的規格步入亞納米尺度，量子隧穿效應將顯露，以至于精典的電路原理不再適用，但是隨著集成度的下降，煤耗也會更加巨大。
圖2
經過百年的發展，量子熱學早已為解決這種問題做好了充足的打算，這主要依賴于量子熱學中疊加與糾纏這兩個基本性質。
與一個粒子可以處在疊加狀態類似，兩個粒子也可以共同組成疊加狀態，而糾纏態正是一種特殊的疊加態。
對于兩只處于特定糾纏態（圖2）的貓，一旦看到其中一只是活的，另一只會馬上塌縮到活的狀態量子通訊潘，不論相隔多遠。愛因斯坦稱這些現象為：遙遠地點之間的奇特互動。
當時對這些現象的理解，眾說紛紜。愛因斯坦覺得，假如對一個粒子沒有引起任何影響卻還能精確預言它的狀態，這么這個數學量的值一定是預先確定好的，與是否執行檢測無關。
這些觀點被稱為定域實在論，與此相對的還有另一種闡釋：單個粒子的化學量在檢測之前并沒有確定的值，只有在檢測的時侯，能夠決定它的狀態。
這兩種觀點在當時的實驗中并不能彰顯出差異，直至1964年，化學學家貝爾提出了知名的貝爾不方程，表明這兩種觀點可以在實驗上被分辨，雖然這么，對不方程的完美檢驗還仍然有待實驗的深化。
在不斷設計實驗精確驗證貝爾不方程的過程中，科學家漸漸發展出了一套精確調控糾纏粒子技術，這種新技術的發展帶來了第二次量子革命量子通訊潘，直接促進了量子通訊、量子估算、量子精密檢測等領域的蓬勃發展。
圖3
在量子通訊方面，第一項比較成熟的研究是量子秘鑰分發（圖3）。
在傳輸秘鑰的過程中，由量子熱學的基本原理保證，監聽者不可能在通信者不知情的情況下搶走或復制秘鑰，這就保證了秘鑰分發在原理上是絕對安全的。
另一種有趣的研究叫量子隱型傳態，借助兩粒子之間的糾纏，可以實現量子態在兩地間的傳輸，而這也是建立量子計算機的基礎之一。
由于量子比特可以處在疊加態的這些特點，促使量子估算的估算能力隨可操縱的量子比特數呈指數下降，所以理論上它可以突破精典計算機算力的困局，這對大數據、人工智能、氣象預報和抗生素設計等領域還會起到促進的作用。
有了理論研究的基礎以后，怎樣把理論成果轉化為現實應用同樣也面臨著很大的挑戰。
比如，盡管量子通訊在理論上是安全的，但在現實條件下，并不能保證光源或偵測器按預期完美地工作，這樣一來可能造成存在安全性的漏洞被監聽者借助。
另外，因為光纖的固有耗損會隨著傳輸距離指數下降，致使現實中遠距離傳輸量子比特顯得異常困難。
這種困局直至近日才被克服，到目前為止早已可以比較放心地覺得，現實條件下量子通訊系統的安全性早已迫近理論的預期。
為了使量子通訊技術更具實用性，其通訊距離還須要被進一步擴充，潘建偉團隊采用了基于可信中繼的遠距離量子通訊技術，于2017年完善了總長2000余公里的城際光纖量子通訊干線“京滬干線”。
圖4
潘教授介紹，可信量子中繼技術并不是解決遠距離通訊的終極方案，她們提出一套自由空間的量子通訊方案，在研究中攻破了許多技術難關，通過不懈的努力，最終于2016年8月成功發射了“墨子號”量子科學實驗衛星（圖4）。
帶著科學任務的“墨子號”衛星從上天伊始，就不斷地給地面傳來喜訊：千公里級量子秘鑰分發的速度相較于同距離地光纖，被提升了20個數目級；千公里級地星量子隱型傳態得以實現。隨即她們又和多國合作，完成了洲際量子通訊實驗。
馬不停蹄，潘建偉團隊于2020年又實現了基于糾纏的量子秘鑰分發實驗，原理上可以做到，雖然衛星為別人控制，也能獲得安全的秘鑰。這必將實現所有密碼學者千年來的夢想，做到密碼不可被破譯。
除此之外，相關技術還可以拿來檢驗引力的量子化問題，并早已得到了一些初步的結果。
對于下一代量子通訊衛星方案，潘建偉教授介紹，不僅低軌衛星網路之外，還可以發射中高軌道的衛星，這樣既能滿足機要部門業務化運行的需求，又能完善覆蓋全球、全天時的工作空間量子通訊網。
據悉，對量子估算發展的規劃，潘建偉教授也做了簡略的介紹。
第一階段，預期實現對若干問題的估算能力，趕超傳統的超級計算機；第二階段，實現專用的量子模擬機，以闡明若干精典計算機難以勝任的復雜化學系統的規律；第三階段，造出可編程的通用量子計算機。
目前，我國在光、超導、超冷原子量子估算實驗等方面都取得了巨大的研究進展。
未來，潘教授還預期建立一套完整的天地一體的廣域量子通訊網路技術體系來服務國家信息安全，建立超高精度的空間光鐘來偵測引力紅移與不同頻段的引力波，結合登月計劃實現地月之間的量子糾纏分發等。