“繼對撞機、引力波以后，又一個“高冷”物理名詞——量子，近些年來逐步從幕后邁向了臺前。在科學家們眼里，這一撲朔迷蒙的量子到底是何方神圣？它有什么神奇絕招，又有何用？
在近期舉辦的兩院教授會議上，中國科學技術學院院長、中國科大學教授潘建偉帶來了一場有關量子的精彩介紹。”
圖為“墨子號”量子科學實驗衛星與阿里量子隱型傳態實驗平臺構建天地鏈路（合成相片）。
神奇的量子
量子是構成物質的最基本單元，因為具有相干疊加特點，可以形成“量子糾纏”，因此與相對論一起，帶來了第二次科學革命。
一旦確定了初始狀態量子傳輸速度，按照熱學多項式，所有粒子未來的運動狀態都是可以精確預言的——這是基于牛頓熱學得出的推論。
“如果根據這個思路再往下思索量子傳輸速度，一切風波（例如明天的大會）都是在宇宙大爆燃時就早已確定好的嗎？個人的努力還有意義嗎？但人其實是有自由意志的。”潘建偉引用霍金的一句話：雖然是相信一切都是上天注定的人，在過馬路時也會左右看。
“所以，雖然我們對牛頓熱學十分滿意，但對其中蘊涵著的決定論，仍持有異議。”潘建偉說。
上世紀初，歸功于普朗克、愛因斯坦、玻爾、海森堡等諸多杰出科學家的共同努力，又一扇科學之門徐徐打開。究竟是哪些改變了牛頓熱學的基本觀念？其中一個就是量子熱學。量子是構成物質的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。所有人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現形態。
按照精典化學學，一個客體的狀態（用0和1表示）如同最簡單的二補碼開和關，只能處于開或則隴右的某一個狀態，即要么是0要么是1，這就好比一只貓，要么是生要么是死，不能同時“又生又死”。但這一理論并不適用于量子世界。“比如在量子世界，一個氫原子的狀態，可以是激發態和能級的相干疊加，可以0和1狀態同時共存。”潘建偉舉例。
這些所謂的量子相干疊加正是量子世界與精典世界的根本區別，由此有了量子熱學不確定原理：量子體系中通常情況下一個數學量的值并不能預先確定，而是依賴于采取何種檢測基，進一步，對處于量子糾纏的兩個粒子，對其中一個粒子的檢測結果會頓時確定另一個粒子的狀態，不論它們相距多么遙遠。這就是“量子糾纏”，愛因斯坦稱這個現象為“幽靈般的超距作用”。
潘建偉打了個比方：一個代表團從上海到慕尼黑去訪問，假如在飛行途中睡著了，不曉得是途經俄羅斯還是美國，到上海時，她們會認為“又冷又熱”，覺得似乎同時穿越了兩條路線。但若果飛行途中仍然睜著眼睛去看，或則有儀器檢測，這么測量到的狀態是客機只會處于一條航線上，代表團到達南京時要么覺得冷，要么覺得熱。
“疊加原理覺得，一個量子客體可以處于不確定的狀態，也就是說在檢測之前，連上帝都不曉得，觀測者的行為還可以影響體系的演進。這些顛覆性的認知和相對論一起，帶來了第二次科學革命，從而催生了新的產業轉型。”潘建偉說。
與會科學家認真聽取潘建偉教授發言。
安全的通訊
借助量子相干疊加原理所形成的量子保密通訊，成功克服了精典加密技術的內在安全隱患，可以從根本上解決信息安全傳輸問題。
從春秋時期的兵符到古埃及的加密棒，以及羅馬帝國凱撒大帝發明的字符聯通加密術，再到二戰時出現的復雜密碼……人類追求信息安全的步伐未曾停止。
為確保被授權的用戶身分不被泄露，可以用加密算法進行身分認證；為保證傳輸過程中信息不被監聽，可以進行傳輸加密；為保證傳輸內容不被篡改，可以用加密算法進行數字認證。某種意義上，現今的信息安全是構建在加密算法或則加密技術的基礎之上。
“然而，精典加密算法依賴于估算的復雜度，若果估算能力足夠強悍，原則上就會被破解。人們早就懷疑‘以人類的才智難以構造人類自身不可破解的密碼’，這是目前精典加密算法面臨的窘境。”潘建偉說。
辛運的是，量子熱學的發展早已為解決這一問題做好了打算。量子疊加的“分身術”，具有一個最為直接的應用——就是廣受關注的量子保密通訊。
潘建偉說，科學家們可以借助單光子來傳輸秘鑰。假如有監聽者想截取單光子，檢測其狀態并發送，這么，單光子都會從原有狀態“0+1”變成0或則1，通訊中都會引入擾動并會被使用者察覺。其實，精典光通訊中還有一種監聽方式——截獲一部份光，讓其余部份繼續傳送，僅對查獲到的部份進行狀態檢測獲取秘鑰信息。并且，因為單光子不可分割，監聽者不可能就像在精典光通訊中那樣，把訊號分成一模一樣的兩半，監聽也由此失敗。
“量子通訊克服了精典加密技術內在的安全隱患，由于其安全性不依賴于估算復雜度，這是原理上無條件安全的一種通訊方法，一旦存在監聽必然被發覺。”潘建偉稱。
單光子的不可分割性和量子態的不可復制性從原理上保證了信息的不可監聽，再結合“一次一密”的加密方式，就可以實現信息的不可破解，進而確保了身分認證、傳輸加密以及數字認證等技術手段的無條件安全。
不過，要在現實條件下實現遠距離的量子通訊，并非聽上去這么簡單。量子訊號由于不能被復制，所以不能被放大，訊號會隨著傳輸距離的拉長，顯得越來越弱。例如，厚度為1200公里的商用光纖中，雖然有每秒百億發射率的理想單光子源和完美的偵測器，也須要數百萬年才會傳送一個量子比特。這樣的傳輸速度似乎不易于遠距離傳輸。
如何辦？目前國際上公認有兩種可行的途徑：一種是借助中繼器進行分段傳輸，另一種是借助衛星中轉進行自由空間單光子傳輸，實現數千公里甚至是全球化的量子通訊。
2016年，隨著全球第一顆量子科學實驗衛星——墨子號發射成功，實現信息“絕對安全”的夢想又往前邁入了一步。“去年，千公里級量子秘鑰分發速度達到1kbps，比同距離光纖增強20個數目級；如今，每秒鐘可以穩定分發十萬個秘鑰甚至幾十萬個秘鑰。”潘建偉說。
可期的未來
潘建偉表示，以量子信息技術為代表的第二次量子革命，一定會帶來人類社會物質文明的巨大進步。
量子通訊不是惟一應用。
大數據時代，人類對估算能力的需求與日俱增。但是，目前人類擁有的估算能力還相當有限。諸如，集全世界估算能力的總和都未能在一年內完成對280個數據的窮舉搜索。與此同時，隨著晶體管的規格逐漸接近納米級，晶體管的電路原理將不再適用。而通過超大規模處理器集成的超級計算機因為煤耗驚人，也面臨著發展模式不可持續的困局。以為例，下一盤棋類須要消耗10噸煤形成的電量。
“利用量子相干疊加原理，可以構造具有強悍并行估算和模擬能力的量子計算機。”潘建偉說，量子計算機的估算能力隨可操縱的粒子數呈指數下降，一臺操縱100個粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可達到目前全世界估算能力總和的100萬倍。借助萬億次精典計算機分解三百位大數大概須要15萬年，這正是目前廣泛使用的RSA私鑰密碼體系安全性的基石——現有估算能力難以在短時間內破解密碼，但是借助同樣工作頻度的量子計算機則只要一秒鐘。由此可見，一旦量子計算機研發成功，對現有密碼體系的沖擊將是崩潰性的。不過，量子熱學在提供了破解密碼“最鋒利的矛”的同時，也為我們提供了信息安全“最牢靠的盾”——量子通訊的安全性與估算能力無關，雖然在量子計算機時代，照樣可以保障信息的無條件安全。
其實，量子計算機造下來還需時日。“屆時，量子估算可為人工智能、密碼剖析、氣象預報、石油鉆探、基因剖析、藥物設計等所需的大規模估算困局提供解決方案，并可闡明量子相變、高溫超導、量子霍爾效應等復雜化學機制。”潘建偉表示。
除了這般，借助高精度的量子信息處理技術，還可對時間、位置、重力等化學信息實現趕超精典技術極限的量子精密檢測，大幅度提高衛星導航、激光制導、水下定位、醫學檢查和引力波偵測等的確切性和精度。諸如，借助目前最好的傳統自主導航技術，水下航行100天后，定位偏差達數十公里，須要定期下浮使用衛星修正；而借助原子干涉重力儀等高精度量子自主導航系統，水下定位航行能力可急劇提高，不需衛星修正就可實現常年自主導航。
“第一次量子革命早已在20世紀對我們的社會面貌和生活形式形成了巨大影響。可以預期，以量子信息技術為代表的第二次量子革命也一定會帶來人類社會物質文明的巨大進步。”潘建偉說。
