專 家:當前世界量子科學技術的發展與應用前景
來源: 《學術前沿》雜志 作者: 發布時間: 2021-06-22

隨著量子科學在量子計算、量子通信、量子網絡、量子仿真等領域不斷實現新突破,量子技術革命受到越來越多的關注。近年來,量子技術方興未艾,量子技術催生的技術變革和裝備發展不斷改變世界面貌,逐步成為經濟社會跨越發展的基石和動力。

20世紀90年代以來,美國、歐盟、日本等相繼開始了量子通信技術研發與應用。中國在量子科技領域后來居上,已經成為量子科技發展的領跑者。國防大學聯合勤務學院李大光教授認為,量子通信作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術,將有望走向大規模應用,為信息化社會的發展提供基礎的安全服務和可靠的安全保障。

量子技術催生量子黑科技

1.量子加密。不可克隆性保證了量子信息本身(或者由它生成的量子密碼)不會被復制,因而斷絕了一切竊聽的可能性,即,量子加密的安全性體現在其從理論上就不能夠被破壞或攔截。

2.量子通信。全稱是“量子加密通信”,其實現是基于量子態傳輸。量子通信依舊由電磁波攜帶信息,由量子技術把攜帶信息的電磁波保護起來。

3.量子計算。從計算的效率上,由于量子力學疊加性的存在,某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統的通用計算機。量子計算使計算機的計算能力實現跨越發展。

4.量子測量。量子測量基于微觀粒子量子態精密測量,完成被測系統物理量的執行變換和信息輸出,在測試精度、靈敏度和穩定性等方面與傳統測量技術相比具有明顯優勢。

中國量子技術處于全球領先地位

2017年,世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機在我國誕生,標志著我國在基于光子的量子計算機研究方面取得突破性進展,為最終實現超越經典計算能力的量子計算奠定了堅實基礎。

1.在量子計算領域,中國目前保持著18個量子比特糾纏的世界紀錄;

2.在量子傳感方面,中國在量子雷達、遙感成像、精密測量和導航方面進展迅速;

3.在量子保密通信領域,“墨子號”量子通信衛星升空,“量子京滬干線”等超大規模量子網絡投入應用。

更多精彩觀點

01 量子、量子論與量子力學

量子的概念和范疇

量子是現代物理的重要概念。19世紀后期,一些物理學家聚焦于黑體輻射問題的研究,發現很多物理現象無法用經典理論解釋,為了解釋傳統物理無法解釋的物理現象,量子概念應運而生。

量子是一個物理概念,并不是具體的實在粒子。19世紀后期,馬克斯·普朗克最先發現黑體輻射的不連續性不能通過經典力學來解釋,并在黑體輻射研究中引入能量量子,于1900年12月14日在德國物理學會的例會上作了《論正常光譜中的能量分布》的報告。他在報告中提出,輻射(或吸收)的能量不是連續地,而是一份一份地進行的,只能取某個最小數值的整數倍,并將輻射頻率為ν的能量的最小數值E=hν稱為量子。

可見,量子是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。普朗克提出的理論成功解決了黑體輻射的問題,標志著一個新的物理學科——量子力學的誕生。

從數理學的角度看,量子也是一個數學概念,是能量、動量等物理量中最小的、不可分割的基本單位,是“相當數量的某物質”。量子這個數學概念的意思,就是“離散變化的最小單元”。

量子和構成物質的基本粒子是不同范疇的概念。從物質的構成來說,分子、原子、夸克等是構成物質的粒子;而從能量傳播來說,量子是能量傳播過程中能量發射和吸收的最小單元,它不是連續的,而是一份一份的,在實驗中量子可以表現為原子、光子、分子等多種形態。這種“量子化”物理量的數值是離散的,而不是連續地任意取值。量子跟原子、電子無法進行大小比較,因為量子的本意是一個數學概念。

通過上述分析可知,物理學中的原子、電子、質子、中子等物質本身就是粒子,而量子卻對應著不同的粒子。例如,光是由許多光子組成的,所以光子其實就是光的量子;陰極射線是由一系列電子組成的,因此電子就是陰極射線的量子。在物理學中,量子是指一個最小的不可分割的基本單位,是能表現出某物質或物理量特性的最小單元。

量子論的創立和發展

現代物理學由兩大理論構成,即相對論和量子論。量子論是研究基本粒子物理學范疇的遵循法則,相對論是研究宏觀宇宙理論物理學范疇的遵循法則。作為現代物理學的兩大基石之一,量子論為人們研究自然界微觀物質世界提供了新的觀察、思考和表述方法。尤其是量子論的開放性和不確定性,給人類社會的發現和創造以啟迪,給整個物理學提供了新的概念。因此,量子論的誕生被視為近代物理學的新起點。

德國物理學家普朗克為創立量子論作出了突出貢獻。量子論揭示了微觀物質世界的基本規律,為原子物理學、固體物理學、核物理學、粒子物理學以及現代信息技術奠定了理論基礎,較好地詮釋了原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收與輻射、粒子的無限可分和信息攜帶等問題。伴隨著黑體輻射能量密度隨頻率分布規律的發現,量子論得以創立。

1900年10月,普朗克為了克服經典理論解釋黑體輻射規律的困境,引入了“能量子”概念,為量子理論奠定了基石。普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續性的概念,提出了輻射的量子論。他從理論上導出的黑體輻射公式表明,物體吸收或發射電磁輻射,只能以量子的方式進行,每個量子的能量為E=hν,稱為作用量子,即對于頻率ν的輻射能量,物體只能以hν為能量單位吸收或發射,這里的h為普朗克常數。

能量子假說的提出具有劃時代意義,標志了物理學的新紀元。量子理論現已成為現代理論和實驗不可缺少的基本理論。

其他物理學家也為量子論的創立作出了重要貢獻。愛因斯坦是第一個意識到量子概念具有普遍意義的科學家。針對光電效應實驗與經典理論的矛盾,愛因斯坦提出了光量子假說,在固體比熱問題上成功地運用了能量子概念,并用光量子理論解釋了光電效應中出現的新現象,從而為量子理論的發展打開了局面,同時進一步證明了普朗克提出的能量不連續概念。此后,玻爾、德布羅意、薛定諤和海森堡等許多科學家也對量子論的發展作出重要貢獻。

1913年,玻爾運用量子化概念提出“玻爾的原子理論”,對氫光譜作出了有效的解釋,使量子論取得了初步驗證。1923年,法國物理學家德布羅意提出了物質波假說,之后薛定諤沿著物質波概念確立了電子波動方程。與此同時,海森堡創立了解決量子波動理論的矩陣方法。1925年9月,玻恩與物理學家、數學家約丹合作,將海森堡的矩陣方法發展成系統的矩陣力學理論,從而把量子論發展推向了一個新的高度。

量子力學的發展和應用

量子力學為物理學理論,是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支,主要研究原子、分子、凝聚態物質以及原子核和基本粒子的結構、性質。它與相對論一起構成了現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是現代物理學的基礎理論之一,而且在化學等學科和許多近代技術中也得到了廣泛應用。

量子物理學是由許多現代物理學家共同創立的新物理學科。1926年,量子力學的奠基人之一薛定諤研究發現,從數學的角度上看,波動力學和矩陣力學是完全等價的,并將其統稱為量子力學。薛定諤發明的波動方程由于比海森堡的矩陣更易理解,因而成為量子力學的基本方程。1935年,薛定諤意識到了量子力學中存在不確定性的問題,因此假設了系統中處于兩種態的疊加之中的貓,即由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加,貓就理應處于死貓和活貓的疊加狀態,這就是著名的“薛定諤貓”思維實驗。1928年,狄拉克將相對論運用于量子力學,經由海森堡、泡利等人的發展,形成了量子電動力學,致力于研究電磁場與帶電粒子的相互作用。

區別于經典力學、相對論(宏觀低速、高速世界),量子力學從根本上改變了人類對物質結構及其相互作用的理解,明確解釋了原子世界“微觀宇宙”的奇異屬性:在這個“微觀宇宙”中,亞原子粒子被“類粒子力”聚在一起,原子由原子核和圍繞原子核旋轉的電子組成,原子核又由中子和質子組成,大約100種不同類型的原子或元素構成了我們已知的所有物質世界。

當代物理學中,集成芯片從根源來說是量子理論發展之后的技術產物。集成電路的芯片將電路元器件,如電阻、二極管等在半導體芯片上集成,這一半導體技術以半導體理論為基礎,而半導體理論以量子理論為基礎。在半導體的微型化已接近極限的情況下,如果繼續縮小,微電子技術理論就會顯得無能為力,必須依靠量子力學中的量子結構理論來解決問題。

美國威斯康星大學材料科學家馬克斯·拉加利等人根據量子力學理論,已研發出可容納單個電子的被稱為“量子點”的微小結構,這種量子點非常微小,一個針尖上可容納幾十億個量子點。據此,研究人員可用量子點制造由單個電子運動來控制開和關狀態的晶體管??梢灶A見,量子力學理論將對電子工業產生重大影響,成為物理學一個尚未開發而又具有廣闊前景的新領域。

02 量子技術催生量子黑科技

量子加密

竊聽信息需要先復制信息,而不可克隆性保證了量子信息本身(或者由它生成的量子密碼)不會被復制,因而斷絕了一切竊聽的可能性。量子加密采用的原理是根據“海森堡測不準原理”和“單量子不可復制原理”建立的量子密碼概念。

“海森堡測不準原理”是量子力學的定理,指在同一時刻以相同精度測定量子的位置與動量是不可能的,只能精確測定兩者之一?!皢瘟孔硬豢蓮椭圃怼笔恰昂Iy不準原理”推論得出的定理,指在不確定量子狀態的情況下復制單個量子是不可能實現的,因為復制單個量子需要先做測量,而測量必然改變狀態、出現擾動,因而量子加密是絕對安全、不可能被破譯的。

目前,量子加密技術在密碼學上的應用可分為兩類:一是利用量子計算機對傳統密碼體制進行分析,另一類是利用單光子的測不準原理在光纖一級實現密鑰信息加密??偟膩砜?,量子加密比普通電子郵件或無線電方式更為優越,因為這種方式從理論上不能夠被破壞或攔截。

量子通信

量子通信主要涉及量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等領域,指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信方式。量子糾纏是微觀世界一種特有的物理現象,即兩個粒子之間不論相距多遠,不受空間影響、不需任何連接,卻好像有一根無形的線牽著,只要一個粒子狀態發生變化,就能立即使另一個粒子狀態發生相應變化。

量子通信正是利用量子糾纏效應這種神奇的“心靈感應”現象進行信息傳遞的,其雖僅是量子力學最簡單的一個應用,但卻解決了很多傳統密碼學長期未能解決的根本性安全問題。

量子通信的全稱是“量子加密通信”,其實現是基于量子態傳輸。量子通信依舊由電磁波攜帶信息,量子技術只是把攜帶信息的電磁波保護起來了。為便于傳輸,現有的量子通信實驗一般以光子為量子態載體,其表現形式即為光子態傳輸。

量子計算

量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。較之于傳統的通用計算機,量子計算機的理論模型是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。從可計算的問題來看,量子計算機只能解決傳統計算機所能解決的問題;但從計算的效率上,由于量子力學疊加性的存在,某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統的通用計算機。

量子計算的基本屬性是疊加、糾纏和干涉。疊加是量子系統同時處于多種狀態的能力,它使得量子信息單元的狀態可以處于多種可能性的疊加狀態,從而導致量子信息處理在效率上相比于經典信息處理方式具有更大潛力;糾纏是量子的一個屬性,它通過將對象永久糾纏在一起從而實現對象的連接;干涉可用于控制量子態,并放大引起正確答案的信號,同時刪除引起錯誤答案的信號。

量子計算使計算機的計算能力實現跨越發展,一臺量子計算機的運算能力頂得上現在世界上所有傳統計算機的的運算能力之和。量子計算機一旦取得突破,所有的加密算法都會瞬間被暴力破解,全部信息將失去安全屏障,完全暴露在量子計算機的視野內,因此,量子計算機也是目前建設科技強國重點攻關的技術難題。

2015年5月,IBM在量子運算上取得兩項關鍵性突破,開發出四量子位原型電路,奠定了未來10年量子計算機的基礎。2016年8月,美國馬里蘭大學學院市分校發明出世界上第一臺由5個量子比特組成的可編程量子計算機。對于實用化的量子計算機的研發,目前認為需要經過實現量子優越性、實用化的量子模擬機和容錯量子計算機三個發展階段。2020年12月4日,中國科學技術大學團隊構建了76個光子的量子計算原型機“九章”,實現了“高斯玻色取樣”任務的快速求解,這一成果也使我國成功實現了量子計算研究的“量子計算優越性”。

量子測量

在量子體系中,根據馮·諾依曼測量假定,量子測量會導致量子態坍縮到待測物理量的本征態,即量子測量對被測系統有反作用。即,量子測量會對被測量子系統產生影響,如改變被測量子系統的狀態,則處于相同狀態的量子系統被測量后將得到完全不同的結果,但這些結果符合一定的概率分布。

量子測量基于微觀粒子量子態精密測量,完成被測系統物理量的執行變換和信息輸出,在測試精度、靈敏度和穩定性等方面與傳統測量技術相比具有明顯優勢。

在量子測量方面,目前已經研發和攻克了原子的激光冷卻與俘獲技術、原子噴泉技術、物質波的干涉操控技術、原子能態及相關量子信息的探測提取技術等關鍵技術。通過量子測量,可以了解量子的物理狀態和性質,從而更好地對其進行應用。

當前,以量子慣性導航、量子目標識別、量子重力測量、量子時間基準和量子磁場測量等為代表的新型量子測量領域,在國防建設和軍事應用領域極具戰略價值,受到世界各國政府和研究機構的重視。其在解決工程化和實用化等問題后,有望在關系國家安全和國計民生的重點領域率先進入應用領域。

03 量子技術在當今世界的發展

量子技術在國外的發展

20世紀90年代以來,美國、歐盟、日本等相繼開始了量子技術研發與應用,并取得了豐碩成果。其中,美國領跑全球,引領了世界量子技術的發展。其他國家和集團也積極發展本國的量子技術,并取得了顯著成效。

美國一直以來高度重視量子信息技術的相關研究,將量子信息技術作為引領未來軍事革命的顛覆性、戰略性技術。2018年9月,美國白宮科技政策辦公室國家科學技術委員會發布的《量子信息科學國家戰略概述》指出:量子測量有望為軍事任務提供先進的傳感器,發展新的測量科學和量子基準,改善導航和定時技術;同時,由美國能源部和國家科學基金會牽頭,計劃自2019年起的5年內最高投入13億美元,建成10個研發和人才培養基地。此外,美國國防部和中央情報局還將為量子技術研發提供支援。

與此同時,其他一些國家和集團也積極推進各自的量子技術發展。其中,歐盟通過了《量子宣言》,于2018年啟動了一項耗資10億歐元的“量子技術旗艦計劃”,加大量子通信、量子測量、模擬、傳感和計算的研究和應用力度,從而對量子科學研究、產業推廣、技術轉化、人才培養等方面給予重要支撐;英國在2015年發布的《英國量子技術路線圖》中對原子鐘、量子傳感器、量子慣性導航和量子增強成像等技術領域可能的商業化實踐和發展路線圖進行了分析和研究,并在《量子技術國家戰略》中提出了量子領域基礎研究、技術應用、人才培養和國際合作方面的發展戰略;德國利用量子糾纏效應打造量子互聯網,目前已經實現了第一個量子網絡原型,在節點之間完成了量子信息的可逆交換,并可在兩個節點之間產生遠程糾纏;日本將量子技術置于和人工智能、生物科技同等重要的位置,于2019年完成了“量子技術創新戰略”的制定;此外,加拿大、澳大利亞、巴西、印度等國在量子通信領域也相繼加大投入,加快推進本國量子通信技術的發展。

中國量子技術處于全球領先地位

在2018年的新年賀詞中,習近平主席在總結回顧過去一年我國在科技創新領域的重大成就時,特別提到“量子計算機研制成功”。2017年,世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機在我國誕生,標志著我國在基于光子的量子計算機研究方面取得突破性進展,為最終實現超越經典計算能力的量子計算奠定了堅實基礎。

在量子技術領域,中國量子技術發展取得了令全球矚目的成就,后來居上。

在量子計算領域,中國雖然起步相對較晚,但發展速度飛快,在光子、超導、離子以及拓撲量子比特等方面均有建樹,目前保持著18個量子比特糾纏的世界紀錄;在量子傳感方面,中國在量子雷達、遙感成像、精密測量和導航方面進展迅速,研究水平居世界前列;

在量子保密通信領域,“墨子號”量子通信衛星升空,“量子京滬干線”等超大規模量子網絡投入應用,我國科研團隊創造了一個又一個記錄,研究水平領先世界。

這是中華民族的光榮和驕傲,更是中華民族在科技領域實現的“中國夢”。

2016年8月16日,中國成功地發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”,在國際上率先實現了高速星地量子通信,初步構建了“天地一體化”的量子通信網絡。量子通信衛星是一種傳輸高效的通信衛星,能夠使中國制造的衛星安全性得到質的提升,從根本上解決信息安全問題。2019年9月,“墨子號”量子科學衛星再獲重要成果,利用“墨子號”量子科學實驗衛星對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗。這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗,極大地推動了相關物理學基礎理論和實驗研究。2016年年底,“京滬干線”部分區段已經開通,這是世界第一條量子通信保密干線,承載重要信息的保密傳輸,開啟了中國量子通信新時代。至2017年10月,中國已建成2000多公里量子通信的“京滬干線”,并相繼投建了“武合干線”“寧蘇干線”等骨干網絡,建設進程不斷加快。

隨著中國量子技術的普及和發展,量子通信作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術,將有望走向大規模應用,為信息化社會的發展提供基礎的安全服務和可靠的安全保障,并徹底解決基礎設施的信息安全問題?!澳犹枴绷孔有l星上天、量子計算云平臺啟動、“京滬干線”啟航,在這場微觀世界的量子技術競爭中,中國“探夢者”的創新步伐已經走在世界量子技術領域的前沿。(作者:國防大學聯合勤務學院教授 李大光)


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