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什么是量子？量子是物质和能量最基本的单元

2019-03-06 17:13:57来源：新浪科技  

“‘第二次量子革命’是一个非常好的机遇，是一个能够使我们从之前的跟随者、模仿者变为引领者的机会，中国的科学家希望在‘第二次量子革命’里能够发挥非常好的作用。”

大家好，非常荣幸有机会和大家分享在过去的十几年里，我国在量子通信领域，从跟随到领跑的过程中发生在我身边一些的故事。

可能很多人看过这些新闻，2016年8月16日，我国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星。

国际上几乎所有最重要的媒体，如BBC、《纽约时报》，还有《自然》、《科学美国人》等杂志，都报道了这个事件，并把它评为改变世界的十个重大科学事件之一。《华尔街日报》也以《沉寂了一千年，中国誓回发明创新之巅》为题进行报道。

以量子卫星为代表的来自中国的一系列量子信息技术成果也直接或者间接触发了欧洲和美国的重大投入。比如，欧洲正式启动了量子技术旗舰项目，美国也通过了“国家量子行动法案”。

欧美对量子技术的投入

欧美对量子技术的投入

谷歌、IBM、微软等企业也已经非常强势地介入量子计算研究。

谷歌、IBM、微软等企业介入量子计算研究

谷歌、IBM、微软等企业介入量子计算研究

平时，我们也会看到很多消息，比如斯诺登爆料美国正在研发可以破译任何密码的量子计算机。当然，不需要斯诺登的爆料，我们也知道美国肯定会投入研发类似的量子计算机。

很多时候出于商业目的，谷歌和IBM也经常会发布有关量子计算方面的新闻。再比如，扎克伯格刚刚满月的女儿，已经开始学习《宝宝的量子物理学》(当然是开玩笑的)。这些让我们特别有危机感。

扎克伯克一家

扎克伯克一家

当然也有一些不靠谱的广告，比如量子鞋垫、量子水……

虚假广告

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引发从小娃娃到大企业这么高兴趣的量子到底是什么?它有什么用?我国现在处于一个什么样的阶段?这就是我想跟大家分享的内容。

什么是量子

量子是物质和能量最基本的单元。我站在讲台上，有灯光照过来，光有最小的不可分割的单位，它的能量非常小。一个40瓦的灯泡，一秒钟可以放出万亿亿个光子，即1020个光子。

光子

光子

组成物质的基本单元，如原子、分子的典型尺度为10 -10米，比纳米还要小十倍，差不多是我们头发丝的百万分之一。

原子

原子

分子

分子

直接用我们的眼睛“看”不到这些量子的基本粒子。想象以下，如果能像孙悟空一样可以把自己缩小成一只非常小的苍蝇，再进一步缩小为一个电子，我们就可以试着到原子里面看它的样子。

下图是用薛定谔方程计算出来的，一个最简单的原子，即一个氢原子只由一个原子核和一个电子组成，所呈现出来的美丽的形状。物理学并没有想象中的那么枯燥，它是非常漂亮的一门学科。

氢原子波函数

氢原子波函数

有句话说：一叶一菩提，一沙一世界。接下来，我们通过一个非常简单的游戏，了解量子世界的运动有哪些比较奇怪的规律。

很多人都打过保龄球，这个新游戏里面让保龄球通过两个狭缝，最终会在后面的屏幕上留下两个痕迹。

如果把保龄球缩小为一个电子，重新玩这个游戏。此时，一个非常奇怪的现象出现了。如视频最后所示，屏幕中会出现多条明暗相间纹。

量子“保龄球”实验结果

量子“保龄球”实验结果

如下图所示，经典世界和量子世界形成了非常鲜明的对比。经典世界是我们都非常熟悉的，球打过去就是这样的结果。在量子世界，有点像孙悟空的分身术，球的两个分身可以一起经过左右两条缝隙。

左：经典世界 右：量子世界

左：经典世界 右：量子世界

这就是量子世界不同于经典世界的一个非常奇妙的特征，量子世界允许一个物体同时存在于多种状态。

量子计算主要就是依赖于这个特性。计算的基本单元是0和1，例如，我们可以用图中的红色和蓝色路线分别代表0和1。

量子世界

量子世界

1个量子比特中，0和1两种状态同时存在;50个量子比特，有250种状态同时存在。这些状态同时输入一个函数，可以同时得出250种状态的结果，提供一种非常快速的并行计算方法。

但如果我们想看以下量子的保龄球到底是从左边(红色)还是右边(蓝色)过去的，此时，一个更加奇怪的现象出现了。

如果没有人观测，量子会从两边同时经过，一旦有人观测，这种量子现象就会消失，退化回到经典现象。

所以，量子的状态和其是否被测量相关。这种性质是量子保密通信原理的一个形象描述，就是说，一旦有人窃听量子通信的通道，他不可避免地会扰动、改变量子状态，从而使通信双方察觉，这样，在物理原理上保证了通信的安全性。

量子通信保密原理

量子通信保密原理

量子的应用

很多人觉得这个听起来有点意思，但是似乎感受不到高冷的量子物理和我们生活的关系。其实，过去的一百多年，自量子力学发展以来，它所催生的各种技术已经彻底改变了我们的生活。

比如，我们今天使用的计算机、笔记本电脑、手机的芯片，其基本的计算单元是晶体管，就是基于量子力学中的能带理论发明的。

激光也来源于量子力学，我们使用的硬盘(巨磁阻)、硬盘，还有LED发光等，都依赖于量子力学。但是之前的这些量子技术，都是基于量子规律的宏观应用。

第一次量子革命

第一次量子革命

最近几十年，物理学发展到新的阶段，即使有百亿亿个光子，在实验室里可以精准地控制一个一个的光子、一个一个的原子。这些技术正在催生“第二次量子革命”的一些新技术，包括安全通信、超快计算、精密测量等技术。

第二次量子革命

第二次量子革命

我国量子技术的发展

改革开放40年，很多方面发生了翻天覆地的变化。回顾过去会对这种变化有更加深切的感受。我们把时间轴拨回1996年，当时，我的导师潘建伟老师刚去奥地利留学。

有一天，他兴冲冲地去找他的导师安东·塞林格，说自己通过计算发现了一个有趣的理论方案。讲完这个方案后，安东问他有没有听说过“量子隐形传态”，潘老师说不知道。

左：Anton Zeilinger 右：潘建伟

左：Anton Zeilinger 右：潘建伟

由于当时互联网水平的限制和国际期刊在国内的普及程度不够，在不知道1993年Bennett等人的PRL文章情况下，潘建伟就重新独立推导出了量子隐形传态，这是量子信息中的一个核心方案。

从到达因斯布鲁克的第一天开始，导师安东就问潘建伟的留学梦想是什么，他回答说：“要在中国建立一个世界一流的量子实验室”。

过去的十几年，在中科院、科技部、基金委、教育部等部门的支持下，这个梦想正一步步迈向现实。

人才培养和团队建设历程

人才培养和团队建设历程

2002年，我们的团队只有5个人。从2006年开始，很多年轻的学生被派到世界各地，在国际先进的实验室学习新技术。

2009年，刚刚参加完《复兴之路》的主题展，潘建伟老师激动地给几乎所有的学生发了一条短信，希望我们能够回国为民族复兴尽力。2011年，这些学生基本都回到了国内。

我们团队主要的研究路线从量子基础研究开始，然后进入应用基础研究，再慢慢的把一些能够直接应用和产业化的技术投入实践应用，反哺社会经济发展。

研究路线

研究路线

比如，在多光子纠缠领域，我们一直在国际上保持领先的地位，目前，我们已经实现了18个光量子的纠缠。

纠缠量子比特数目

纠缠量子比特数目

利用国际一路领先的多光子纠缠和干涉技术，我们在2017年实现了第一台在“波色取样”这个特定任务上能够超越最早期两台经典计算机的光量子计算原型机。这是迈向“量子霸权”先期基础测试的一步。

量子通信

我们一直在做的不是弯道超车，而是直道超车。量子科学实验卫星是直道超车的一个非常好的范例。

最开始在论证的时候，有些专家会问国外有没有开展这样的研究。有很多人的概念是，基本上国外开展研究了，我们才开始研究。

基于量子卫星和“京沪干线”(京沪干线：连接北京、上海，贯穿济南和合肥全长2000余公里的量子通信骨干网络)，我们国家首次描绘了天地一体化的量子通信网络的蓝图。

京沪干线

京沪干线

现在很多国外单位，包括欧洲、美国，都主动来找中国的单位，要求加入我们的合作项目。2017年，“墨子号”实现了从北京到维也纳的7600公里的量子保密的通信。

下图展示了地面和卫星的对接，位于我国西藏阿里。

地面与卫星对接

地面与卫星对接

量子计算和精密测量

此外，我们在量子计算方面也做了比较系统的布局，利用超冷原子能够实现一些实用化的量子模拟技术。

超冷原子量子模拟

超冷原子量子模拟

利用超导量子计算探索和攻关通用的量子计算机，目前我们已经做到了12个超导量子比特的纠缠。

12个超导量子比特的纠缠

12个超导量子比特的纠缠

平时在新闻里可能会听到，IBM做到了50个量子比特，谷歌做到了72个，但他们宣称的量子比特数目还不能形成量子纠缠。

过去的十几年，我们在国际上获得一些比较好的评价。2007年，《新科学家》在其《中国崛起》专刊里提到：“中国科学技术大学——因而也是整个中国——牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”。

2012年，《自然》年度十大科技亮点中说“标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前不起眼的国家，发展为现在的世界劲旅”。之后的2013、15年、17、18年，我们也分别有原创成果入选国际上的一些重大进展。

获奖情况。由左至右：2012年《自然》;美国物理学会“2013年度亮点”;英国物理学会“2015年度突破”;《自然》“2017年度国际重大科学事件”

下图总结了我国量子信息领域在高水平期刊上发表论文的情况，可以看到，从1998年开始，高水平论文数量已经增长了80多倍。这也是我们国家科技方面在改革开放40年里进步的缩影。

我国量子信息领域高水平论文发表情况

我国量子信息领域高水平论文发表情况

未来，希望利用我刚才所讲的技术，在地面用光纤的方法实现城市里多个节点的量子通讯网络，再利用卫星实现超远距离，例如几千公里的安全信息传输，组建一个能够保障国家信息安全的骨干网，同时催生下一代的信息技术。

总的来说，量子通信已经比较成熟了，而且我国是全面领先于欧洲和美国的。但量子计算刚刚从基础研究迈入技术积存和集中攻关的阶段，根据其实现难度，基本可以分为三个阶段。

量子计算发展三阶段

量子计算发展三阶段

第一阶段：量子霸权。量子霸权是一个学术定义，指能够造出一台在某个问题上超越经典计算机能力的量子计算机。我们希望在未来的两三年内能够达到这个目标。

第二阶段：实用量子模拟机。未来的5—10年，我们希望实现一些有实用价值的，比如可以应用于材料设计、组合优化、大数据等的模拟机。

第三阶段：通用量子计算机。这是最终、最困难的目标。

量子精密测量的实现难度比量子计算容易，它的应用将也会非常广泛。利用量子比特非常敏感的特征测量一些重要的物理量，比如重力、磁场、电场、温度等。从而把它用于导航技术、生命医学检测等方面。

左：惯性导航 右：重力地图

左：惯性导航 右：重力地图

左：纳米级空间分辨率高灵敏电磁场、温度测量 右：环境与安全监测

左：纳米级空间分辨率高灵敏电磁场、温度测量 右：环境与安全监测

国际挑战

虽然目前态势较好，但我们也面临着一些非常严峻的国际挑战。2017年10月24日，美国国会召开听证会讨论如何保证美国在量子技术国际竞争中的领导地位。

会议提到：“德国最先开展核武器研制，但美国率先造出原子弹;前苏联最先进入太空，但美国率先实现了登月。尽管目前中国在量子技术若干方向上暂时具有优势…”

“……只要美国政府有意愿，就一定能够再次领先……美国绝对无法承受在量子技术革命竞争中失败的代价。”

最后做一个总结。“曼哈顿计划”改变了20世纪的世界格局。“第一次量子革命”时，因为历史原因，中国并没有太多的参与，但现在“第二次量子革命”是一个非常好的机遇，是一个能够使我们从之前的跟随者、模仿者变为引领者的机会，希望中国的科学家希望在“第二次量子革命”里能够发挥非常好的作用。

标签： 量子 物质 基本 单元

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