“墨子號”量子科學實驗衛星過境，成都南山觀測站科研人員在做實驗（合成相片）。新華社發
中共中央政治局日前就量子科技研究和應用前景舉辦了第二十四次集體學習。量子科技是事關國家安全和社會經濟高質量發展的戰略性領域，其具體應用包括量子通訊、量子估算、量子精密檢測等。
當前，量子科技已步入到推進發展、快速突破的新階段，急切須要多學科的緊密交叉和各項關鍵技術的系統集成。在量子科技領域整合科技資源、集中力量突破，已在世界范圍內產生廣泛共識。
明天，量子信息技術正在推動一場新的科技革命量子通訊技術，將深遠地影響人類社會。放眼更久遠的未來，量子科技發展所取得的突破似乎將幫助人類實現現在無法企及的夢想。從這個意義上說，量子科技正是率領我們“飛向未來的船與帆”。
第一次量子革命為突破“摩爾定理”做好打算
量子的概念最早由荷蘭化學學家普朗克提出來，從某種意義上講，普朗克應當算是舊量子熱學的叔父。愛因斯坦和玻爾是舊量子熱學之父，她們又是新量子熱學的叔父。海森堡、薛定諤和狄拉克等則構建了新量子熱學——真正有多項式去求解的量子熱學，因而引起了第一次量子革命。
量子熱學給人類帶來了許多技術革新，核能、晶體管、激光、核磁共振、高溫超導材料、巨磁阻效應等發覺和發明都和它有關。可以說，量子熱學是現代信息技術的硬件基礎，物理則是軟件基礎，物理和化學結合在一起，奠定了整個現代信息技術的基礎。
雖然，從日常使用的一部手機里，就可以看見好多與量子熱學相關的基礎研究成果。有人統計，共有八項諾貝爾獎成果在手機上面：半導體元件是2009年諾貝爾數學學獎、集成電路是2000年諾貝爾化學學獎……
正是有了半導體，才有現代意義上的通用計算機；之后在加速器的數據往全世界傳遞的過程中，催生了互聯網；為了檢驗相對論，人們借助量子力學造出了極其精確的原子鐘，在原子鐘的幫助下，我們可以進行全球衛星導航定位。可以說，第一次量子革命直接催生了現代信息技術。
隨著技術的進一步發展，現代信息技術遇見了兩大挑戰：一是信息安全困局，二是估算能力的不足。
實現信息的安全傳送，自古以來就是人類的夢想。人類早在公元前就發明了一些特別聰明的加密算法，隨后又不斷設計出愈加復雜的密碼，但隨著估算能力的提升，這種加密算法都被破解了。人類到底能不能建立一種自己破解不了的密碼呢？
估算能力的提升，可以幫我們破解密碼，同時也剌激我們形成更為巨大的算力需求。隨著大數據時代的到來，全球數據量呈指數級下降，每三年翻一番，對估算能力的需求十分巨大。上世紀40年代，一臺計算機重達1噸，每秒運算五千次。而到了2010年，一臺智能手機已可每秒鐘運算好多億次，幀率不超過5瓦，估算能力卻相當于法國阿波羅登月計劃估算能力的總和。
通常來說量子通訊技術，提高估算能力須要通過加大芯片的集成度。但目前，摩爾定理正式迫近極限，恐怕再過六年，才會達到亞納米規格。到那時，晶體管的電路原理將不再適用。如何解決信息科技面臨的這種問題？目前的量子熱學早已初步為突破信息安全和估算能力的困局做好了打算。
第二次量子革命步入主動操縱量子的嶄新時代
假如說第一次量子革命是人類對量子規律的被動觀測和應用，這么第二次量子革命則是人類對量子狀態的主動調控和操縱，目前主要發展的應用領域就是量子信息技術。
第二次量子革命可從1935年算起，到1950年形成了量子糾纏，1972年以后發展出了較好的技術，就能對一個個量子狀態進行主動操縱，例如可實現單光子的形成、操縱和偵測。這個過程雖然十分困難。就拿一個15瓦電燈泡來說，它每秒鐘發射出1021個單光子，要從如此多光子中掏出一個個光子去做信息處理，對實驗技術要求十分高。
不過，一旦才能從下往上對微觀粒子進行組裝、操縱，雖然就把握了搭建整個世界每一塊積木的本領。這些進步，相當于從孟德爾通過被動觀察總結出遺傳定理，進步到基因工程主動調控生命形態。
量子信息技術主要有兩方面：一是量子通訊，可實現原理上無條件的安全通訊方法；二是量子估算，可提供一種超快的估算能力。
量子通訊的應用之一是量子秘鑰分發。它的原理很簡單，依據量子不可克隆定律，單光子不可分割，所以當人們用一個個光子來傳輸秘鑰時，即使監聽存在，也一定會被察覺，這么我們就遺棄這些存在監聽的風險秘鑰，保留安全秘鑰，再加上“一次一密”的保障，加密內容就不可破譯，這是基于數學學原理的無條件安全。
借助量子糾纏可以把量子態從一個物體傳送到另一個物體上，但原先的信息載體不用傳送過去。例如說，我們在北京有一個微觀體系，它由成千上萬個原子組成。倘若北京和天津之間有好多對糾纏原子，就可以把北京的體系和在南京的糾纏原子做一個聯合檢測，再把檢測結果通過無線電臺發送到廣州，廣州只需對手中的原子進行操作，就可以把北京的體系重新給制備下來——這就相當于在廣州的體系被傳送到了上海一樣，但我們并沒有把在北京的任何一個實體原子送到上海。
這本質上是一個量子態傳輸的結果，幾十、幾百個原子的狀態，只要操作得足夠快，就可以在網路里傳來傳去，這樣一種操作便構成了量子計算機的基本單元：量子信息在網路里可以走來走去以后，就可借助量子疊加來進行量子信息的處理，這就是量子計算機。借助這些特質，可以設計一些相關的算法，實現快速分解大數、快速求解線性多項式組等，假如制造下來，就可應用于破解精典密碼以及人工智能、大數據等領域。
量子保密通訊“絕對安全”信息傳輸漸行漸近
量子通訊的發展目標是要在更大范圍內實現安全的信息傳輸，發展路線是通過光纖實現城域的量子通訊網路、通過中繼實現城際的量子網路、通過衛星中轉實現遠距離量子通訊。
在量子通訊這一領域，中國科學家有好多重要的貢獻。例如，復旦學院段路明院士在量子中繼方面做了挺好的工作；在光纖城域網路領域，復旦學院王向斌院長也有挺好的工作。
基于可信中繼技術，中科大量子通訊團隊在2007年首次把光纖量子通訊的安全距離拓展到100公里。2008年，我們建設了一個大型網路，2012年又建成了規模化的量子通訊網路，并投入了永久使用。最后，我們逐漸把這種局域網連上去，弄成了如今的“京滬干線”。將來，量子中繼可能是最終解決遠距離量子通訊問題的路徑之一。
以目前的技術，要實現遠距離的量子通訊，須要衛星的中轉。通過十幾年的努力，我們和中科院武漢技術化學研究所、微小衛星創新研究院的聯合團隊，研發成功了國際上第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”，并于2016年8月成功發射。目前，衛星已在軌運行四年多，狀態和性能仍然良好。
“墨子號”有三大科學實驗任務。一是星地間量子秘鑰分發，即在1200公里的距離上，目前每秒可點對點發送十萬個安全秘鑰，這比相同距離的光纖傳輸速度提升了20個數目級。二是實現了伊寧到西安、德令哈到拉薩之間，相距約1200公里的量子糾纏分發。三是實現了上千公里的量子隱型傳態。這種工作在2017年完成后，“墨子號”就實現了天地之間的量子通訊，再加上“京滬干線”所實現的千公里級光纖城際量子通訊網路，共同構成了天地一體化廣域量子通訊網路的雛型——這是國際上量子信息領域兩個標志性風波之一。
在“墨子號”成功施行以后約一年，歐共體啟動了量子旗艦計劃，而日本則啟動國家量子行動計劃，量子信息在全球開始熱上去了。
量子估算的未來破解精典計算機解決不了的問題
量子估算發展的第一階段是量子優越性，這已由微軟公司于2019年10月實現，即針對個別特殊問題，造出一臺比目前超級計算機算得更快的量子計算機，大約需要約50個比特。這也是量子信息技術的兩大標志性風波之一。
該系統名子叫作“懸鈴木”，約能操縱53個超導量子比特。它須要200秒算完的任務，目前世界排行第一的“頂點”超級計算機大約須要算一萬年左右。
第二階段，科學家希望還能操縱四五百個量子比特，以構造一種專用的量子模擬機，針對一些復雜化學系統，例如低溫超導機制、新材料設計等目前超級計算機算不了的問題，用量子模擬機來進行運算，解決一些實實在在的問題。
二三六年后，人類似乎能造出一臺可編程的通用量子計算機。這須要通過各類體系來舉辦相關工作，例如復旦學院薛其坤院士所研究的拓撲量子估算、段路明院士從事的離子阱量子估算等。
不僅上述提及的工作外，目前我國在量子估算領域的研究主要集中在三個方向：第一是光量子估算，去年大約就能實現50個光子相干操縱，也才能達到量子優越性，我們采用了與微軟不同的技術途徑。第二，在超導量子估算方面，希望在去年年末，能做到60個左右的量子比特。第三，希望量子估算能真正拿來解決一些數學學、化學、材料科學中很重要、但用精典計算機解決不了的問題，目前已有比較好的進展。
展望未來，在量子通訊方面，我們希望還能在外太空搭建一個十分精準的光鐘，這個光鐘的穩定度大約可以達到10萬億年偏差不超過一秒鐘——再結合廣域量子通訊技術，就可以提供一種引力波偵測的新途徑。
我們也希望，將來可以在月球和地球之間的拉格朗日點放一個量子糾纏光源的荷載，假如未來還可在地球上放一個基站，那就可以在月球和地球之間舉辦光秒量級距離的、有觀測者參與的量子熱學非定域性的檢驗。
（作者系中國科大學教授、中國科學技術學院常務副院長）