“‘第二次量子革命’是一個十分好的機遇，是一個才能使我們從之前的追隨者、模仿者變為推動者的機會，中國的科學家希望在‘第二次量子革命’里才能發揮十分好的作用。”
陸朝陽
中國科學技術學院院長
你們好，十分榮幸有機會和你們分享在過去的十幾年里，我國在量子通訊領域，從追隨到領跑的過程中發生在我身邊一些的故事。
可能好多人看過那些新聞，2016年8月16日量子通訊潘，我國發射了世界上第一顆量子科學實驗衛星。
國際上幾乎所有最重要的媒體，如BBC、《紐約晨報》，還有《自然》、《科學日本人》等刊物，都報導了這個風波，并把它評為改變世界的十個重大科學風波之一。《華爾街晚報》也以《沉寂了一千年，中國誓回發明創新之巔》為題進行報導。
以量子衛星為代表的來自中國的一系列量子信息技術成果也直接或則間接觸發了法國和意大利的重大投入。例如，法國即將啟動了量子技術旗艦項目，新加坡也通過了“國家量子行動法案”。
歐美對量子技術的投入
微軟、IBM、微軟等企業也早已十分強勢地介入量子估算研究。
微軟、IBM、微軟等企業介入量子估算研究
平常，我們也會看見好多消息，例如斯諾登爆料韓國正在研制可以破譯任何密碼的量子計算機。其實，不須要斯諾登的爆料，我們也曉得瑞典肯定會投入研制類似的量子計算機。
好多時侯出于商業目的，微軟和IBM也常常會發布有關量子估算方面的新聞。再例如，扎克伯格剛才滿月的兒子，早已開始學習《寶寶的量子化學學》（其實是開玩笑的）。那些讓我們非常有危機感。
扎克伯克一家
其實也有一些不靠譜的廣告，例如量子鞋墊、量子水……
虛假廣告
引起從小娃娃到大企業如此高興趣的量子究竟是哪些？它有哪些用？我國現今處于一個哪些樣的階段？這就是我想跟你們分享的內容。
哪些是量子
量子是物質和能量最基本的單元。我站在講臺上，有燈光照過來，光有最小的不可分割的單位，它的能量十分小。一個40瓦的燈泡，一秒鐘可以放出萬億億個光子，即1020個光子。
光子
組成物質的基本單元，如原子、分子的典型尺度為10-10米，比納米還要小十倍，差不多是我們毛發絲的百萬分之一。
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，再進一步縮小為一個電子，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式估算下來的，一個最簡單的原子，即一個氫原子只由一個原子核和一個電子組成，所呈現下來的美麗的形狀。化學學并沒有想像中的這么無趣，它是十分漂亮的一門學科。
氫原子波函數
有句話說：一葉一菩提，一沙一世界。接出來，我們通過一個特別簡單的游戲，了解量子世界的運動有什么比較奇怪的規律。
好多人都打過兵乓球，這個新游戲上面讓兵乓球通過兩個狹縫，最終會在前面的屏幕上留下兩個痕跡。
假如把兵乓球縮小為一個電子，重新玩這個游戲。此時，一個特別奇怪的現象出現了。如視頻最后所示，屏幕中會出現多條疏密相間紋。
量子“保齡球”實驗結果
如右圖所示，精典世界和量子世界產生了極其鮮明的對比。精典世界是我們都十分熟悉的，球打過去就是這樣的結果。在量子世界，有點像孫悟空的分身術，球的兩個分身可以一起經過左右兩條細縫。
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特別奇妙的特點量子通訊潘，量子世界準許一個物體同時存在于多種狀態。
量子估算主要就是依賴于這個特點。估算的基本單元是0和1，比如，我們可以用圖中的藍色和白色路線分別代表0和1。
量子世界
1個量子比特中，0和1兩種狀態同時存在；50個量子比特，有250種狀態同時存在。這種狀態同時輸入一個函數，可以同時得出250種狀態的結果，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（藍色）還是左側（紅色）過去的，此時，一個愈發奇怪的現象出現了。
假如沒有人觀測，量子會從兩側同時經過，一旦有人觀測，這些量子現象都會消失，退化回到精典現象。
所以，量子的狀態和其是否被檢測相關。這些性質是量子保密通訊原理的一個形象描述，就是說，一旦有人監聽量子通訊的通道，他不可防止地會擾動、改變量子狀態，進而使通訊雙方察覺，這樣，在化學原理上保證了通訊的安全性。
量子通訊保密原理
量子的應用
好多人認為這個聽上去有點意思，而且雖然體會不到高冷的量子化學和我們生活的關系。雖然，過去的一百多年，自量子熱學發展以來，它所催生的各類技術早已徹底改變了我們的生活。
例如，我們明天使用的計算機、筆記本筆記本、手機的芯片，其基本的估算單元是晶體管，就是基于量子熱學中的能帶理論發明的。
激光也來始于量子熱學，我們使用的硬碟（巨磁阻）、硬盤，還有LED發光等，都依賴于量子熱學。并且之前的那些量子技術，都是基于量子規律的宏觀應用。
第一次量子革命
近來幾六年，數學學發展到新的階段，雖然有百億億個光子，在實驗室里可以精準地控制一個一個的光子、一個一個的原子。這種技術正在催生“第二次量子革命”的一些新技術，包括安全通訊、超快估算、精密檢測等技術。
第二次量子革命
我國量子技術的發展
變革開放40年，好多方面發生了翻天覆地的變化。回顧過去會對這些變化有更加深切的體味。我們把時間軸撥回1996年，當時，我的導師潘建偉老師剛去意大利留學。
有三天，他興沖沖地去找他的導師安東·塞林格，說自己通過估算發覺了一個有趣的理論方案。講完這個方案后，安東問他有沒有據說過“量子隱型傳態”，潘老師說不曉得。
左：Anton右：潘建偉
因為當時互聯網水平的限制和國際刊物在國外的普及程度不夠，在不曉得1993年等人的PRL文章情況下，潘建偉就重新獨立推導入了量子隱型傳態，這是量子信息中的一個核心方案。
從到達因斯布魯克的第三天開始，導師安東就問潘建偉的留學夢想是哪些，他回答說：“要在中國構建一個世界一流的量子實驗室”。
過去的十幾年，在中科院、科技部、基金委、教育部等部門的支持下，這個夢想正一步步走向現實。
人才培養和團隊建設歷程
2002年，我們的團隊只有5個人。從2006年開始，好多年青的中學生被派到世界各地，在國際先進的實驗室學習新技術。
2009年，剛才出席完《復興之路》的主題展，潘建偉老師興奮地給幾乎所有的中學生發了一條郵件，希望我們才能歸國為民族復興竭力。2011年，這種中學生基本都回到了國外。
我們團隊主要的研究路線從量子基礎研究開始，之后步入應用基礎研究，再漸漸的把一些就能直接應用和產業化的技術投入實踐應用，反哺社會經濟發展。
研究路線
例如，在多光子糾纏領域，我們仍然在國際上保持領先的地位，目前，我們早已實現了18個光量子的糾纏。
糾纏量子比特數量
借助國際一路領先的多光子糾纏和干涉技術，我們在2017年實現了第一臺在“波色采樣”這個特定任務上才能趕超最初期兩臺精典計算機的光量子估算截擊機。這是走向“量子霸權”先期基礎測試的一步。
量子通訊
我們仍然在做的不是彎道會車，而是直道會車。量子科學實驗衛星是直道會車的一個特別好的范例。
最開始在論證的時侯，有些專家會問美國有沒有舉辦這樣的研究。有好多人的概念是，基本上加拿大舉辦研究了，我們才開始研究。
基于量子衛星和“京滬干線”（滬寧干線：聯接天津、上海，貫串西安和蘭州全長2000余公里的量子通訊骨干網路），我們國家首次勾畫了天地一體化的量子通訊網路的新藍圖。
滬寧干線
如今好多美國單位，包括亞洲、美國，都主動來找中國的單位，要求加入我們的合作項目。2017年，“墨子號”實現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星的對接，坐落我國拉薩阿里。
地面與衛星對接
量子估算和精密檢測
據悉，我們在量子估算方面也做了比較系統的布局，借助超冷原子就能實現一些實用化的量子模擬技術。
超冷原子量子模擬
借助超導量子估算探求和攻關通用的量子計算機，目前我們早已做到了12個超導量子比特的糾纏。
12個超導量子比特的糾纏
平常在新聞里可能會看到，IBM做到了50個量子比特，微軟做到了72個，但她們聲稱的量子比特數量還不能形成量子糾纏。
過去的十幾年，我們在國際上獲得一些比較好的評價。2007年，《新科學家》在其《中國崛起》專刊里提及：“中國科學技術學院——因而也是整個中國——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》年度十大科技亮點中說“標志著中國在量子通訊領域的崛起，從10年前不起眼的國家，發展為現今的世界勁旅”。以后的2013、15年、17、18年，我們也分別有原創成果榮獲國際上的一些重大進展。
得獎情況。由左至右：2012年《自然》；日本化學學會“2013年度亮點”；日本化學學會“2015年度突破”；《自然》“2017年度國際重大科學風波”
右圖總結了我國量子信息領域在高水平刊物上發表論文的情況，可以看見，從1998年開始，高水平論文數目早已下降了80多倍。這也是我們國家科技方面在變革開放40年里進步的寫照。
我國量子信息領域高水平論文發表情況
未來，希望借助我昨天所講的技術，在地面用光纖的方式實現城市里多個節點的量子通信網路，再借助衛星實現超遠距離，比如幾千公里的安全信息傳輸，成立一個才能保障國家信息安全的骨干網，同時催生下一代的信息技術。
總的來說，量子通訊早已比較成熟了，但是我國是全面領先于法國和德國的。但量子估算剛才從基礎研究跨入技術積存和集中攻關的階段，按照其實現難度，基本可以分為三個階段。
量子估算發展三階段
第一階段：量子霸權。量子霸權是一個學術定義，指才能造出一臺在某個問題上趕超精典計算機能力的量子計算機。我們希望在未來的兩兩年內才能達到這個目標。
第二階段：實用量子模擬機。未來的5—10年，我們希望實現一些有實用價值的，例如可以應用于材料設計、組合優化、大數據等的模擬機。
第三階段：通用量子計算機。這是最終、最困難的目標。
量子精密檢測的實現難度比量子估算容易，它的應用將也會特別廣泛。借助量子比特十分敏感的特點檢測一些重要的數學量，例如重力、磁場、電場、溫度等。因而把它用于導航技術、生命醫學檢查等方面。
左：慣性導航右：重力地圖
左：納米級空間碼率高靈敏電磁場、溫度檢測
右：環境與安全檢測
國際挑戰
盡管目前態勢較好，但我們也面臨著一些特別嚴峻的國際挑戰。2017年10月24日，日本眾議院舉行聽證會討論怎樣保證日本在量子技術國際競爭中的領導地位。
大會談到：“德國最先舉辦核裝備研發，但日本率先造出原子彈；南斯拉夫最先步入太空，但日本率先實現了登月。雖然目前中國在量子技術若干方向上暫時具有優勢…”
“……只要日本政府有意愿，就一定才能再度領先……美國絕對難以承受在量子技術革命競爭中失敗的代價。”
最后做一個總結。“曼哈頓計劃”改變了20世紀的世界格局。“第一次量子革命”時，由于歷史緣由，中國并沒有太多的參與，但如今“第二次量子革命”是一個十分好的機遇，是一個才能使我們從之前的追隨者、模仿者變為推動者的機會，希望中國的科學家希望在“第二次量子革命”里才能發揮十分好的作用。
感謝你們。
SELF格致論道講堂
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