“‘第二次量子革命’是一個(gè)十分好的機(jī)遇，是一個(gè)才能使我們從之前的追隨者、模仿者變?yōu)橥苿?dòng)者的機(jī)會(huì)，中國(guó)的科學(xué)家希望在‘第二次量子革命’里才能發(fā)揮十分好的作用。”
陸朝陽(yáng)
中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)
你們好，十分榮幸有機(jī)會(huì)和你們分享在過(guò)去的十幾年里，我國(guó)在量子通訊領(lǐng)域，從追隨到領(lǐng)跑的過(guò)程中發(fā)生在我身邊一些的故事。
可能好多人看過(guò)那些新聞，2016年8月16日量子通訊潘，我國(guó)發(fā)射了世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。
國(guó)際上幾乎所有最重要的媒體，如BBC、《紐約晨報(bào)》，還有《自然》、《科學(xué)日本人》等刊物，都報(bào)導(dǎo)了這個(gè)風(fēng)波，并把它評(píng)為改變世界的十個(gè)重大科學(xué)風(fēng)波之一。《華爾街晚報(bào)》也以《沉寂了一千年，中國(guó)誓回發(fā)明創(chuàng)新之巔》為題進(jìn)行報(bào)導(dǎo)。
以量子衛(wèi)星為代表的來(lái)自中國(guó)的一系列量子信息技術(shù)成果也直接或則間接觸發(fā)了法國(guó)和意大利的重大投入。例如，法國(guó)即將啟動(dòng)了量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目，新加坡也通過(guò)了“國(guó)家量子行動(dòng)法案”。
歐美對(duì)量子技術(shù)的投入
微軟、IBM、微軟等企業(yè)也早已十分強(qiáng)勢(shì)地介入量子估算研究。
微軟、IBM、微軟等企業(yè)介入量子估算研究
平常，我們也會(huì)看見(jiàn)好多消息，例如斯諾登爆料韓國(guó)正在研制可以破譯任何密碼的量子計(jì)算機(jī)。其實(shí)，不須要斯諾登的爆料，我們也曉得瑞典肯定會(huì)投入研制類似的量子計(jì)算機(jī)。
好多時(shí)侯出于商業(yè)目的，微軟和IBM也常常會(huì)發(fā)布有關(guān)量子估算方面的新聞。再例如，扎克伯格剛才滿月的兒子，早已開(kāi)始學(xué)習(xí)《寶寶的量子化學(xué)學(xué)》（其實(shí)是開(kāi)玩笑的）。那些讓我們非常有危機(jī)感。
扎克伯克一家
其實(shí)也有一些不靠譜的廣告，例如量子鞋墊、量子水……
虛假?gòu)V告
引起從小娃娃到大企業(yè)如此高興趣的量子究竟是哪些？它有哪些用？我國(guó)現(xiàn)今處于一個(gè)哪些樣的階段？這就是我想跟你們分享的內(nèi)容。
哪些是量子
量子是物質(zhì)和能量最基本的單元。我站在講臺(tái)上，有燈光照過(guò)來(lái)，光有最小的不可分割的單位，它的能量十分小。一個(gè)40瓦的燈泡，一秒鐘可以放出萬(wàn)億億個(gè)光子，即1020個(gè)光子。
光子
組成物質(zhì)的基本單元，如原子、分子的典型尺度為10-10米，比納米還要小十倍，差不多是我們毛發(fā)絲的百萬(wàn)分之一。
原子
分子
直接用我們的耳朵“看”不到這種量子的基本粒子。想像以下，倘若能像孫悟空一樣可以把自己縮小成一只十分小的蒼蠅，再進(jìn)一步縮小為一個(gè)電子，我們就可以試著到原子上面看它的樣子。
右圖是用薛定諤多項(xiàng)式估算下來(lái)的，一個(gè)最簡(jiǎn)單的原子，即一個(gè)氫原子只由一個(gè)原子核和一個(gè)電子組成，所呈現(xiàn)下來(lái)的美麗的形狀。化學(xué)學(xué)并沒(méi)有想像中的這么無(wú)趣，它是十分漂亮的一門(mén)學(xué)科。
氫原子波函數(shù)
有句話說(shuō)：一葉一菩提，一沙一世界。接出來(lái)，我們通過(guò)一個(gè)特別簡(jiǎn)單的游戲，了解量子世界的運(yùn)動(dòng)有什么比較奇怪的規(guī)律。
好多人都打過(guò)兵乓球，這個(gè)新游戲上面讓兵乓球通過(guò)兩個(gè)狹縫，最終會(huì)在前面的屏幕上留下兩個(gè)痕跡。
假如把兵乓球縮小為一個(gè)電子，重新玩這個(gè)游戲。此時(shí)，一個(gè)特別奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了。如視頻最后所示，屏幕中會(huì)出現(xiàn)多條疏密相間紋。
量子“保齡球”實(shí)驗(yàn)結(jié)果
如右圖所示，精典世界和量子世界產(chǎn)生了極其鮮明的對(duì)比。精典世界是我們都十分熟悉的，球打過(guò)去就是這樣的結(jié)果。在量子世界，有點(diǎn)像孫悟空的分身術(shù)，球的兩個(gè)分身可以一起經(jīng)過(guò)左右兩條細(xì)縫。
左：精典世界右：量子世界
這就是量子世界不同于精典世界的一個(gè)特別奇妙的特點(diǎn)量子通訊潘，量子世界準(zhǔn)許一個(gè)物體同時(shí)存在于多種狀態(tài)。
量子估算主要就是依賴于這個(gè)特點(diǎn)。估算的基本單元是0和1，比如，我們可以用圖中的藍(lán)色和白色路線分別代表0和1。
量子世界
1個(gè)量子比特中，0和1兩種狀態(tài)同時(shí)存在；50個(gè)量子比特，有250種狀態(tài)同時(shí)存在。這種狀態(tài)同時(shí)輸入一個(gè)函數(shù)，可以同時(shí)得出250種狀態(tài)的結(jié)果，提供一種極其快速的并行估算方式。
但假如我們想看以下量子的兵乓球究竟是從右邊（藍(lán)色）還是左側(cè)（紅色）過(guò)去的，此時(shí)，一個(gè)愈發(fā)奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了。
假如沒(méi)有人觀測(cè)，量子會(huì)從兩側(cè)同時(shí)經(jīng)過(guò)，一旦有人觀測(cè)，這些量子現(xiàn)象都會(huì)消失，退化回到精典現(xiàn)象。
所以，量子的狀態(tài)和其是否被檢測(cè)相關(guān)。這些性質(zhì)是量子保密通訊原理的一個(gè)形象描述，就是說(shuō)，一旦有人監(jiān)聽(tīng)量子通訊的通道，他不可防止地會(huì)擾動(dòng)、改變量子狀態(tài)，進(jìn)而使通訊雙方察覺(jué)，這樣，在化學(xué)原理上保證了通訊的安全性。
量子通訊保密原理
量子的應(yīng)用
好多人認(rèn)為這個(gè)聽(tīng)上去有點(diǎn)意思，而且雖然體會(huì)不到高冷的量子化學(xué)和我們生活的關(guān)系。雖然，過(guò)去的一百多年，自量子熱學(xué)發(fā)展以來(lái)，它所催生的各類技術(shù)早已徹底改變了我們的生活。
例如，我們明天使用的計(jì)算機(jī)、筆記本筆記本、手機(jī)的芯片，其基本的估算單元是晶體管，就是基于量子熱學(xué)中的能帶理論發(fā)明的。
激光也來(lái)始于量子熱學(xué)，我們使用的硬碟（巨磁阻）、硬盤(pán)，還有LED發(fā)光等，都依賴于量子熱學(xué)。并且之前的那些量子技術(shù)，都是基于量子規(guī)律的宏觀應(yīng)用。
第一次量子革命
近來(lái)幾六年，數(shù)學(xué)學(xué)發(fā)展到新的階段，雖然有百億億個(gè)光子，在實(shí)驗(yàn)室里可以精準(zhǔn)地控制一個(gè)一個(gè)的光子、一個(gè)一個(gè)的原子。這種技術(shù)正在催生“第二次量子革命”的一些新技術(shù)，包括安全通訊、超快估算、精密檢測(cè)等技術(shù)。
第二次量子革命
我國(guó)量子技術(shù)的發(fā)展
變革開(kāi)放40年，好多方面發(fā)生了翻天覆地的變化。回顧過(guò)去會(huì)對(duì)這些變化有更加深切的體味。我們把時(shí)間軸撥回1996年，當(dāng)時(shí)，我的導(dǎo)師潘建偉老師剛?cè)ヒ獯罄魧W(xué)。
有三天，他興沖沖地去找他的導(dǎo)師安東·塞林格，說(shuō)自己通過(guò)估算發(fā)覺(jué)了一個(gè)有趣的理論方案。講完這個(gè)方案后，安東問(wèn)他有沒(méi)有據(jù)說(shuō)過(guò)“量子隱型傳態(tài)”，潘老師說(shuō)不曉得。
左：Anton右：潘建偉
因?yàn)楫?dāng)時(shí)互聯(lián)網(wǎng)水平的限制和國(guó)際刊物在國(guó)外的普及程度不夠，在不曉得1993年等人的PRL文章情況下，潘建偉就重新獨(dú)立推導(dǎo)入了量子隱型傳態(tài)，這是量子信息中的一個(gè)核心方案。
從到達(dá)因斯布魯克的第三天開(kāi)始，導(dǎo)師安東就問(wèn)潘建偉的留學(xué)夢(mèng)想是哪些，他回答說(shuō)：“要在中國(guó)構(gòu)建一個(gè)世界一流的量子實(shí)驗(yàn)室”。
過(guò)去的十幾年，在中科院、科技部、基金委、教育部等部門(mén)的支持下，這個(gè)夢(mèng)想正一步步走向現(xiàn)實(shí)。
人才培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)歷程
2002年，我們的團(tuán)隊(duì)只有5個(gè)人。從2006年開(kāi)始，好多年青的中學(xué)生被派到世界各地，在國(guó)際先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)新技術(shù)。
2009年，剛才出席完《復(fù)興之路》的主題展，潘建偉老師興奮地給幾乎所有的中學(xué)生發(fā)了一條郵件，希望我們才能歸國(guó)為民族復(fù)興竭力。2011年，這種中學(xué)生基本都回到了國(guó)外。
我們團(tuán)隊(duì)主要的研究路線從量子基礎(chǔ)研究開(kāi)始，之后步入應(yīng)用基礎(chǔ)研究，再漸漸的把一些就能直接應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)投入實(shí)踐應(yīng)用，反哺社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
研究路線
例如，在多光子糾纏領(lǐng)域，我們?nèi)匀辉趪?guó)際上保持領(lǐng)先的地位，目前，我們?cè)缫褜?shí)現(xiàn)了18個(gè)光量子的糾纏。
糾纏量子比特?cái)?shù)量
借助國(guó)際一路領(lǐng)先的多光子糾纏和干涉技術(shù)，我們?cè)?017年實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)在“波色采樣”這個(gè)特定任務(wù)上才能趕超最初期兩臺(tái)精典計(jì)算機(jī)的光量子估算截?fù)魴C(jī)。這是走向“量子霸權(quán)”先期基礎(chǔ)測(cè)試的一步。
量子通訊
我們?nèi)匀辉谧龅牟皇菑澋罆?huì)車(chē)，而是直道會(huì)車(chē)。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是直道會(huì)車(chē)的一個(gè)特別好的范例。
最開(kāi)始在論證的時(shí)侯，有些專家會(huì)問(wèn)美國(guó)有沒(méi)有舉辦這樣的研究。有好多人的概念是，基本上加拿大舉辦研究了，我們才開(kāi)始研究。
基于量子衛(wèi)星和“京滬干線”（滬寧干線：聯(lián)接天津、上海，貫串西安和蘭州全長(zhǎng)2000余公里的量子通訊骨干網(wǎng)路），我們國(guó)家首次勾畫(huà)了天地一體化的量子通訊網(wǎng)路的新藍(lán)圖。
滬寧干線
如今好多美國(guó)單位，包括亞洲、美國(guó)，都主動(dòng)來(lái)找中國(guó)的單位，要求加入我們的合作項(xiàng)目。2017年，“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了從上海到維也納的7600公里的量子保密的通訊。
右圖展示了地面和衛(wèi)星的對(duì)接，坐落我國(guó)拉薩阿里。
地面與衛(wèi)星對(duì)接
量子估算和精密檢測(cè)
據(jù)悉，我們?cè)诹孔庸浪惴矫嬉沧隽吮容^系統(tǒng)的布局，借助超冷原子就能實(shí)現(xiàn)一些實(shí)用化的量子模擬技術(shù)。
超冷原子量子模擬
借助超導(dǎo)量子估算探求和攻關(guān)通用的量子計(jì)算機(jī)，目前我們?cè)缫炎龅搅?2個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏。
12個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏
平常在新聞里可能會(huì)看到，IBM做到了50個(gè)量子比特，微軟做到了72個(gè)，但她們聲稱的量子比特?cái)?shù)量還不能形成量子糾纏。
過(guò)去的十幾年，我們?cè)趪?guó)際上獲得一些比較好的評(píng)價(jià)。2007年，《新科學(xué)家》在其《中國(guó)崛起》專刊里提及：“中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院——因而也是整個(gè)中國(guó)——牢牢地在量子估算的世界地圖上搶占了一席之地”。
2012年，《自然》年度十大科技亮點(diǎn)中說(shuō)“標(biāo)志著中國(guó)在量子通訊領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家，發(fā)展為現(xiàn)今的世界勁旅”。以后的2013、15年、17、18年，我們也分別有原創(chuàng)成果榮獲國(guó)際上的一些重大進(jìn)展。
得獎(jiǎng)情況。由左至右：2012年《自然》；日本化學(xué)學(xué)會(huì)“2013年度亮點(diǎn)”；日本化學(xué)學(xué)會(huì)“2015年度突破”；《自然》“2017年度國(guó)際重大科學(xué)風(fēng)波”
右圖總結(jié)了我國(guó)量子信息領(lǐng)域在高水平刊物上發(fā)表論文的情況，可以看見(jiàn)，從1998年開(kāi)始，高水平論文數(shù)目早已下降了80多倍。這也是我們國(guó)家科技方面在變革開(kāi)放40年里進(jìn)步的寫(xiě)照。
我國(guó)量子信息領(lǐng)域高水平論文發(fā)表情況
未來(lái)，希望借助我昨天所講的技術(shù)，在地面用光纖的方式實(shí)現(xiàn)城市里多個(gè)節(jié)點(diǎn)的量子通信網(wǎng)路，再借助衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離，比如幾千公里的安全信息傳輸，成立一個(gè)才能保障國(guó)家信息安全的骨干網(wǎng)，同時(shí)催生下一代的信息技術(shù)。
總的來(lái)說(shuō)，量子通訊早已比較成熟了，但是我國(guó)是全面領(lǐng)先于法國(guó)和德國(guó)的。但量子估算剛才從基礎(chǔ)研究跨入技術(shù)積存和集中攻關(guān)的階段，按照其實(shí)現(xiàn)難度，基本可以分為三個(gè)階段。
量子估算發(fā)展三階段
第一階段：量子霸權(quán)。量子霸權(quán)是一個(gè)學(xué)術(shù)定義，指才能造出一臺(tái)在某個(gè)問(wèn)題上趕超精典計(jì)算機(jī)能力的量子計(jì)算機(jī)。我們希望在未來(lái)的兩兩年內(nèi)才能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。
第二階段：實(shí)用量子模擬機(jī)。未來(lái)的5—10年，我們希望實(shí)現(xiàn)一些有實(shí)用價(jià)值的，例如可以應(yīng)用于材料設(shè)計(jì)、組合優(yōu)化、大數(shù)據(jù)等的模擬機(jī)。
第三階段：通用量子計(jì)算機(jī)。這是最終、最困難的目標(biāo)。
量子精密檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)難度比量子估算容易，它的應(yīng)用將也會(huì)特別廣泛。借助量子比特十分敏感的特點(diǎn)檢測(cè)一些重要的數(shù)學(xué)量，例如重力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度等。因而把它用于導(dǎo)航技術(shù)、生命醫(yī)學(xué)檢查等方面。
左：慣性導(dǎo)航右：重力地圖
左：納米級(jí)空間碼率高靈敏電磁場(chǎng)、溫度檢測(cè)
右：環(huán)境與安全檢測(cè)
國(guó)際挑戰(zhàn)
盡管目前態(tài)勢(shì)較好，但我們也面臨著一些特別嚴(yán)峻的國(guó)際挑戰(zhàn)。2017年10月24日，日本眾議院舉行聽(tīng)證會(huì)討論怎樣保證日本在量子技術(shù)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的領(lǐng)導(dǎo)地位。
大會(huì)談到：“德國(guó)最先舉辦核裝備研發(fā)，但日本率先造出原子彈；南斯拉夫最先步入太空，但日本率先實(shí)現(xiàn)了登月。雖然目前中國(guó)在量子技術(shù)若干方向上暫時(shí)具有優(yōu)勢(shì)…”
“……只要日本政府有意愿，就一定才能再度領(lǐng)先……美國(guó)絕對(duì)難以承受在量子技術(shù)革命競(jìng)爭(zhēng)中失敗的代價(jià)。”
最后做一個(gè)總結(jié)。“曼哈頓計(jì)劃”改變了20世紀(jì)的世界格局。“第一次量子革命”時(shí)，由于歷史緣由，中國(guó)并沒(méi)有太多的參與，但如今“第二次量子革命”是一個(gè)十分好的機(jī)遇，是一個(gè)才能使我們從之前的追隨者、模仿者變?yōu)橥苿?dòng)者的機(jī)會(huì)，希望中國(guó)的科學(xué)家希望在“第二次量子革命”里才能發(fā)揮十分好的作用。
感謝你們。
SELF格致論道講堂
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