自20世紀(jì)90年代起，人類(lèi)對(duì)量子力學(xué)基本問(wèn)題的深入研究和量子調(diào)控技術(shù)的巨大進(jìn)步，催生了量子信息科學(xué)這一新學(xué)科，并使其成為近年來(lái)物理學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究前沿之一。
“量子客體的狀態(tài)會(huì)被測(cè)量影響，由此帶來(lái)一個(gè)革命性的觀念——觀測(cè)者的行為可以影響體系的演化。”在中國(guó)科學(xué)院第十九次院士大會(huì)第六屆學(xué)術(shù)年會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉介紹了從量子物理基礎(chǔ)檢驗(yàn)到量子信息技術(shù)的新量子革命。
兩次量子革命帶來(lái)的改變
牛頓力學(xué)理論帶來(lái)了第一次科學(xué)革命，但是經(jīng)典物理學(xué)的決定論卻存在一個(gè)困境—— 一切事件都是在宇宙大爆炸時(shí)就已經(jīng)確定好的嗎?個(gè)人的努力還有意義嗎?
潘建偉引用了霍金的一句話(huà)——“即使是相信一切都是上天注定的人，在過(guò)馬路時(shí)也會(huì)左右看”。他解釋說(shuō)：“雖然大家對(duì)牛頓力學(xué)理論取得的成就非常滿(mǎn)意，但對(duì)于它蘊(yùn)含的決定論，我們持有很深的懷疑。”
懷疑促成了量子力學(xué)的建立。20世紀(jì)初，隨著量子力學(xué)建立而催生的第一次量子革命，使得人類(lèi)在能源、信息、材料和生命等科學(xué)領(lǐng)域獲得了空前的發(fā)展。
然而，基于第一次量子革命成果的多個(gè)重要產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都已經(jīng)逐漸逼近其技術(shù)極限，進(jìn)一步發(fā)展遇到嚴(yán)重阻礙。
潘建偉說(shuō)：“通常人們可以采用身份認(rèn)證、傳輸加密、數(shù)字認(rèn)證等手段確保信息安全。然而，一旦擁有足夠強(qiáng)大的計(jì)算能力，所有依賴(lài)于計(jì)算復(fù)雜度的加密算法原理上都會(huì)被破解。”
同時(shí)，大數(shù)據(jù)時(shí)代人類(lèi)對(duì)計(jì)算能力的需求與日俱增，但是目前擁有的計(jì)算能力十分有限，例如集全世界計(jì)算能力的總和都無(wú)法在一年內(nèi)完成對(duì)280個(gè)數(shù)據(jù)的窮舉搜索。同時(shí)，隨著晶體管的尺寸逐步接近納米級(jí)，量子效應(yīng)將起主導(dǎo)作用，晶體管的電路原理將不再適用。
幸運(yùn)的是，量子力學(xué)的發(fā)展已經(jīng)為解決這些重大問(wèn)題作好了準(zhǔn)備。
潘建偉介紹說(shuō)，1935年，愛(ài)因斯坦等人指出，量子糾纏所體現(xiàn)的量子非定域性與作為經(jīng)典物理學(xué)基本觀念的定域?qū)嵲谡撝g存在尖銳矛盾。1964年，John Bell提出了Bell不等式，為實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)量子非定域性與定域?qū)嵲谡摰拿芴峁┝丝闪炕姆桨?。此后，各?guó)學(xué)者開(kāi)展了大量的Bell不等式實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了量子力學(xué)非定域性的正確性。
作為量子調(diào)控技術(shù)的系統(tǒng)性應(yīng)用，量子信息技術(shù)可以在確保信息安全、提高運(yùn)算速度、提升測(cè)量精度等方面突破經(jīng)典技術(shù)的瓶頸，量子調(diào)控和量子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展標(biāo)志著第二次量子革命的興起。
中國(guó)量子通信技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先
“發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標(biāo)是構(gòu)建全國(guó)乃至全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。”潘建偉表示。
對(duì)于量子通信，目前國(guó)際上有兩種公認(rèn)的可行途徑：一種是利用中繼器(包括可信中繼和量子中繼)進(jìn)行分段傳輸;另一種是利用衛(wèi)星中轉(zhuǎn)進(jìn)行自由空間單光子傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)千公里甚至是全球化的量子通信。
當(dāng)前，中國(guó)在發(fā)展量子通信技術(shù)的研究和應(yīng)用方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。為構(gòu)建廣域量子通信系統(tǒng)，我國(guó)建成了首個(gè)千公里級(jí)廣域量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”。
同時(shí)，經(jīng)過(guò)近10年的努力，科學(xué)家目前已可以用低軌衛(wèi)星進(jìn)行量子通信。
2016年，在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)的支持下，世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”圓滿(mǎn)實(shí)現(xiàn)了三大既定科學(xué)目標(biāo)，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)、千公里級(jí)星地高速量子密鑰分發(fā)和千公里級(jí)地星量子隱形傳態(tài)。
潘建偉說(shuō)：“去年我們可以每秒鐘產(chǎn)生1000個(gè)密鑰，最近得到大幅度提高，現(xiàn)在可以每秒鐘比較穩(wěn)定地產(chǎn)生10萬(wàn)個(gè)密鑰。”
量子通信將和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)銜接
“按照量子信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)10～15年的努力，在量子通信方面有望構(gòu)建完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系，推動(dòng)量子通信技術(shù)在國(guó)防、政務(wù)、金融和能源等領(lǐng)域率先加以廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫銜接，為形成具有國(guó)際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國(guó)家信息安全生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。”潘建偉說(shuō)。
同時(shí)，他表示，基于廣域的量子通信網(wǎng)絡(luò)，也將為構(gòu)建大尺度、高精度的時(shí)間頻率傳遞網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行量子力學(xué)非定域性的終極檢驗(yàn)，以及在外太空開(kāi)展針對(duì)廣義相對(duì)論、量子力學(xué)與引力的結(jié)合等物理學(xué)基本原理的檢驗(yàn)提供條件。
在量子精密測(cè)量方面，有望突破與導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域密切相關(guān)的一系列量子精密測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，并完成一批重要量子精密測(cè)量設(shè)備與系統(tǒng)的研制，比如高精度光鐘、遠(yuǎn)距離頻率傳遞系統(tǒng)、原子陀螺儀等。
“以量子信息技術(shù)為代表的第二次量子革命為我國(guó)從經(jīng)典信息技術(shù)時(shí)代的跟隨者、模仿者轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥?lái)信息技術(shù)的引領(lǐng)者提供了機(jī)遇。量子力學(xué)從最基礎(chǔ)的研究出發(fā)，慢慢發(fā)展成精致的技術(shù)，變成了實(shí)用化研究。實(shí)用化發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，又可用于支撐量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)研究和量子引力檢驗(yàn)。因此對(duì)基礎(chǔ)研究的肯定，無(wú)論何時(shí)都是不過(guò)分的。”潘建偉說(shuō)。
