第二次量子革命意味着什麼

開爾文於19世紀末提出的黑體輻射，是物理學世界的兩朵“烏雲”之一。爲了解決這個難題，量子力學之父普朗克提出，光的能量可以分成不連續的最小基本能量元，從而拉開了量子世界的帷幕。愛因斯坦也因爲提出光電效應的量子解釋，獲得了諾貝爾物理學獎。海森堡、薛定諤、玻爾等科學家基本完成了量子力學的理論框架。第一次量子革命催生了晶體管、激光、核磁共振、全球定位系統等現代技術，使人類進入信息時代。也是在這一次信息革命中，美國在全世界奠定了霸主地位。

近些年來，隨着實驗技術的進步，人類可以對微觀體系的量子態進行精確的檢測與調控。量子調控技術的進步有望推動第二次量子革命，對未來社會產生本質的影響。10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習，習近平總書記在主持學習時強調：“要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統佈局，把握大趨勢，下好先手棋。”

量子信息技術基於量子疊加與量子糾纏等原理，主要包括量子通信、量子計算、量子精密測量等，有希望突破傳統技術瓶頸，大規模提升計算機運算速度，確保信息通信絕對安全、數量級提升測量精度。

對於經典計算機，參與邏輯計算的比特爲“0”和“1”兩個態，並通過經典算法來實現對信息的線性處理，這種經典的系統被稱爲二進制系統。而量子計算則採用量子比特，除了“0”“1”之外，二者疊加還可以構成更多的態，成爲疊加態，是“1”和“0”兩種狀態不可分解的相干疊加。構建量子比特的基元可能是光子、原子、電子、微小的超導環，或者更神奇的“任意子”（如常見的馬拉約那費米子）。

量子比特之間的糾纏使得量子計算機能夠實現並行計算。隨着量子比特數量增加，量子計算能力可呈指數級規模拓展，在理論上具有驚人的攜帶信息及並行處理的應用潛力。2019年9月，谷歌公司研製了一個包含53個量子比特的量子芯片，執行一個特定的計算任務用了3分20秒，而對於同樣的任務，採用目前最強的超級計算機並且經過理論優化後，完成這項任務也需要2.5天。雖然量子計算機顯示了其強大的潛力，但是距離我們一般人在日常生活中使用上量子計算機，還非常遙遠。可以說，量子計算機與經典計算機的差異遠大於經典計算機與算盤的差異。

關於量子通信，目前的應用方式包括量子密鑰分發和量子隱形傳態。量子密鑰分發是原理上絕對安全的通信手段，是目前僅有的得到嚴格數學證明的通信方式。在量子密鑰傳輸過程中，竊聽者無法做到既偷看又不留下痕跡。而量子精密測量則能在時間、磁場、重力、遙感等諸多領域，獲得遠高於當前的測量精度和靈敏度，在民生和國防上都具有重要的戰略意義。

雖然錯過了第一次量子革命，但我國科學家在量子信息技術各領域已經取得了多項突破性進展。比如，薛其坤院士團隊在實驗中發現了量子反常霍爾效應；潘建偉院士團隊利用“墨子號”科學實驗衛星，成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發。伴隨着國家的不斷投入，我國未來有希望成爲量子信息強國，爲人類科學技術發展作出應有貢獻。（作者：王永鋒，系北京大學信息科學技術學院研究員）