新華社播發(fā)消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳騰云等與清華大學(xué)馬雄峰合作，首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了模式匹配量子密鑰分發(fā)。
量子密鑰分發(fā)基于量子力學(xué)基本原理，可以實(shí)現(xiàn)理論上無條件安全的保密通信，因此一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。該項(xiàng)研究成果表明，模式匹配量子密鑰分發(fā)在不需激光器鎖頻鎖相技術(shù)的條件下，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離安全成碼且在城域距離有較高成碼率，極大地降低了協(xié)議實(shí)現(xiàn)難度，對(duì)未來量子通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有重要意義。
從遙遠(yuǎn)神秘的實(shí)驗(yàn)室走來，量子科技似乎離我們又近了一步。
當(dāng)前，利用量子科技認(rèn)識(shí)和改造世界的浪潮在世界范圍內(nèi)蓬勃興起。量子科技將給世界帶來怎樣的變化？請(qǐng)看——
量子“風(fēng)暴”，方興未艾
您還以為量子科技是近些年才出現(xiàn)的新技術(shù)？其實(shí)，量子科技與量子力學(xué)相伴相生。1900年，德國物理學(xué)家普朗克提出量子概念，隨后，海森堡、薛定諤、玻爾等一批天才科學(xué)家奠定了量子力學(xué)的理論框架，量子時(shí)代就這樣開啟了。量子力學(xué)建立后，催生和發(fā)展起來一系列科學(xué)與技術(shù)，直接或間接改變和提升著人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。
您還以為量子科技是遙不可及的“玄”技術(shù)？事實(shí)上，量子科技早已并將持續(xù)造福人類社會(huì)。晶體管、激光器、核聚變、核磁共振、全球定位系統(tǒng)以及無處不在的電腦和互聯(lián)網(wǎng)……這些改變時(shí)代的技術(shù)都是量子科技的產(chǎn)物。如果說晶體管是計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，激光技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，那么量子力學(xué)直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展。
了解量子科技之前，須先了解量子的一些詭異特性：“分身術(shù)”——量子疊加，即一個(gè)量子可以同時(shí)存在好幾種狀態(tài)；“遠(yuǎn)程心靈感應(yīng)”——量子糾纏，糾纏的量子如同一對(duì)有心靈感應(yīng)的雙胞胎一樣。同時(shí)，量子還很“古怪”——不可分割和不可克隆。劉慈欣在小說《球狀閃電》中這樣描寫量子現(xiàn)象：“不看，它就存在；看了，它就消失”。
量子力學(xué)是復(fù)雜的。百年來，量子力學(xué)一直難以被大眾理解，甚至連它的創(chuàng)造者本身都難以駕馭。微觀尺度的量子世界具有“不確定性”“重疊性”“不可觀測性”等，這些都有悖我們對(duì)于世界是“客觀的”“有規(guī)律的”“可描述的”等常識(shí)認(rèn)知。
量子力學(xué)的觀念卻又是革命的。量子力學(xué)和相對(duì)論的出現(xiàn)，推翻了由牛頓、胡克等科學(xué)家構(gòu)建的經(jīng)典物理學(xué)體系。量子力學(xué)給世界帶來了前所未有的沖擊和震撼，以至于許多科學(xué)家在內(nèi)心對(duì)其充滿懷疑與畏懼。
然而，量子力學(xué)與經(jīng)典技術(shù)從來都不是相互對(duì)抗的。相反，在它們相互交融的過程中，量子力學(xué)為經(jīng)典技術(shù)指明了嶄新的方向。21世紀(jì)以來，科學(xué)家不僅利用量子載體推動(dòng)經(jīng)典技術(shù)的革新，掀起一輪又一輪量子“風(fēng)暴”；他們還反過來利用不斷發(fā)展的經(jīng)典技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)光子、電子、原子、分子等量子載體的探測和操縱，從而促進(jìn)量子理論的發(fā)展。
量子力學(xué)先驅(qū)玻爾曾說：“不為量子論所震驚者，必然不理解量子論?！爆F(xiàn)在，我們或許可以說：不為量子科技所震驚者，必然不了解量子科技。量子科技的發(fā)展誕生了一系列顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科技發(fā)明，逐漸成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)跨越式發(fā)展、軍事武器顛覆性進(jìn)步的基石與動(dòng)力。
量子科技將成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的前沿陣地，全局性整合量子科技資源、集中力量突破發(fā)力，已在全球形成廣泛共識(shí)。各國紛紛出臺(tái)支持量子技術(shù)研發(fā)的重大計(jì)劃、倡議和發(fā)展政策，如美國量子“登月計(jì)劃”、歐盟“量子宣言”旗艦計(jì)劃、英國“國家量子技術(shù)計(jì)劃”、日本“量子司令部機(jī)構(gòu)”等，旨在從國家戰(zhàn)略層面體系化推動(dòng)量子科技發(fā)展。
顛覆經(jīng)典，超越極限
憑借神奇基因，量子力學(xué)“天生”就從原理上顛覆了一些經(jīng)典學(xué)科。當(dāng)量子物理學(xué)與信息科學(xué)交叉融合，便產(chǎn)生了量子信息技術(shù)。這門新學(xué)科直接引發(fā)了第二次量子革命，其代表領(lǐng)域是：量子計(jì)算、量子通信與量子精密測量。
量子計(jì)算具有足以顛覆經(jīng)典計(jì)算的能力。與非0即1的經(jīng)典比特不同，量子計(jì)算采用“量子比特”，可同時(shí)處理0和1。因而量子計(jì)算機(jī)“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”需要花費(fèi)一億年！這不是1到100的提升，而是從“蠟燭”到“電燈”的顛覆。當(dāng)今人類社會(huì)正朝著“數(shù)智時(shí)代”前進(jìn)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度將碰到“天花板”。后摩爾時(shí)代，經(jīng)典計(jì)算機(jī)最有力的競爭者就是量子計(jì)算機(jī)。科學(xué)家們預(yù)言，當(dāng)可以精確操縱的量子比特超過一定數(shù)目時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的能力將會(huì)遠(yuǎn)超任何一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算是量子科技中關(guān)注度最高的領(lǐng)域，各國正在從包括量子硬件建設(shè)、量子軟件建設(shè)、量子控制、量子云服務(wù)等不同領(lǐng)域發(fā)力，聚合體系化發(fā)展。2019年IBM首先實(shí)現(xiàn)了50量子比特計(jì)算機(jī)“IBM-Q”，53量子比特的“懸鈴木”（Sycamore）緊隨其后。我國是目前唯一在光量子和超導(dǎo)量子兩種物理體系都實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)突破的國家，以“九章號(hào)”“祖沖之號(hào)”為代表的計(jì)算原型機(jī)先后實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，立起新的里程碑。
量子保密通信相對(duì)于傳統(tǒng)保密通信，理論上來看是絕對(duì)安全的。量子通信是基于量子疊加態(tài)或量子糾纏效應(yīng)，通過量子隱形傳播、量子密鑰分發(fā)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息傳輸或者量子保密通信。量子力學(xué)中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理使得通信“永不泄密”成為可能。
對(duì)于廣域量子通信，目前國際上形成三種發(fā)展路線圖：一是通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信；二是通過中繼實(shí)現(xiàn)城際量子通信；三是通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離量子通信。歐盟等國20世紀(jì)90年代起就開始對(duì)量子通信進(jìn)行研究和開發(fā)，21世紀(jì)后多國已建立城域?qū)嶒?yàn)網(wǎng)，通信距離超過上百公里。我國于2016年發(fā)射了世界上首顆量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”，填補(bǔ)了第三種路線圖的空白。2022年6月，“墨子號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)了地球上兩個(gè)相距1200公里地面站間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，向構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出重要一步。
量子精密測量更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了經(jīng)典測量的極限。量子精密測量以量子為“尺子”，利用微觀粒子（光子、原子、離子）的量子態(tài)進(jìn)行制備、操控、測量和讀取，實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度、重力場、磁場、頻率等物理量的超高精度“寫真”。神奇的是，量子世界里測量結(jié)果是隨機(jī)的，物體的狀態(tài)也會(huì)在測量時(shí)突然改變，然而，量子精密測量卻使人類得以在精密測量領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)躍遷。比如，1967年銫原子鐘重新定義了“秒”；2010年鋁離子光鐘達(dá)到37億年誤差不超過1秒的驚人水平……原子鐘已經(jīng)從科學(xué)幻想，一步步成了航空航天等領(lǐng)域的重要支撐。
量子精密測量極大地提高了測量精度、穩(wěn)定性和靈敏度，它不易受環(huán)境干擾，且無須校準(zhǔn)?？茖W(xué)家們預(yù)言，量子精密測量未來可能徹底改變現(xiàn)有測量儀器儀表的形態(tài)。目前，各國科學(xué)家正在積極開發(fā)量子超分辨顯微鏡、量子磁力計(jì)、量子陀螺儀等，許多成果已經(jīng)應(yīng)用在材料、地質(zhì)、生物等相關(guān)研究中。
重塑世界，潛能無限
2022年10月，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了三位量子信息科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家——阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·塞林格，以表彰他們?cè)诹孔有畔⒖茖W(xué)方面作出的突出貢獻(xiàn)，同時(shí)也激發(fā)了全球?qū)α孔涌萍嫉木劢龟P(guān)注和謀劃攻關(guān)。人們不禁開始思考，量子科技將以怎樣的姿態(tài)改寫未來世界？
毫無疑問，量子科技必將造福國計(jì)民生。量子科技將在密碼保護(hù)、城市規(guī)劃、道路設(shè)計(jì)、氣象預(yù)測、金融分析、戰(zhàn)略認(rèn)知、新藥物研發(fā)等領(lǐng)域，打開全新圖景。同時(shí)，量子科技也會(huì)深刻影響納米成像、室溫超導(dǎo)體研發(fā)、先進(jìn)農(nóng)業(yè)、能源開發(fā)、人工智能等領(lǐng)域。如今，量子科技給人類帶來的幫助已經(jīng)初見端倪。2022年，日本成功利用基于金剛石的量子傳感器磁力計(jì)探測心臟中的異常磁信號(hào)。這意味著，心磁圖或?qū)⑷〈炔桓叩男碾妶D，從而更有效地治療心血管疾病。許多科學(xué)家相信，隨著量子科技在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不斷發(fā)展，越來越多的不治之癥將被攻克。
量子科技將重塑戰(zhàn)爭面貌?？藙谌S茨曾說：“要想通曉戰(zhàn)爭，必須審視每個(gè)特定時(shí)代的主要特征。”信息化、智能化的未來戰(zhàn)場上，可能會(huì)出現(xiàn)這樣的場景：決策機(jī)構(gòu)通過量子優(yōu)化算法進(jìn)行戰(zhàn)爭預(yù)測、仿真推演、大規(guī)模任務(wù)規(guī)劃、資源規(guī)劃等；指揮人員利用裝載了人工智能的量子計(jì)算機(jī)，快速分析海量戰(zhàn)場數(shù)據(jù)，并進(jìn)行智能決策；戰(zhàn)場上，量子通信將打造牢不可破的新型軍事通信網(wǎng)，全域搜索、智能識(shí)別、網(wǎng)狀火力殺傷將基于絕對(duì)信息安全生成新型一體化作戰(zhàn)模式；此外，量子傳感和精密測量將重寫戰(zhàn)場精度，量子雷達(dá)將徹底終結(jié)隱身戰(zhàn)機(jī)時(shí)代……
更多的科學(xué)家，則將目光投向未知疆域。他們認(rèn)為，量子科技更重要的意義在于，它能加深人們對(duì)于自身的理解，揭示自然界演進(jìn)規(guī)律的秘密，幫助人類探索太空、深海、地心等更廣袤的空間，接近浩渺宇宙中無法觸及的謎團(tuán)。2021年加拿大和英國科學(xué)家利用量子模擬，首次模擬了基本量子粒子——重子；2022年我國科學(xué)家首次在處于強(qiáng)相互作用極限下的費(fèi)米超流體中測得神秘的“第二聲”的衰減率……這些對(duì)“宇宙參數(shù)密碼本”的一步步破譯，甚至有望支持我們探索遙不可及的中子星，了解宇宙在大爆炸之初的情況。
