自20世紀90年代起，人類對量子力學基本問題的深入研究和量子調(diào)控技術(shù)的巨大進步，催生了量子信息科學這一新學科，并使其成為近年來物理學領(lǐng)域最活躍的研究前沿之一。
“量子客體的狀態(tài)會被測量影響，由此帶來一個革命性的觀念——觀測者的行為可以影響體系的演化。”在中國科學院第十九次院士大會第六屆學術(shù)年會上，中國科學院院士、中國科學技術(shù)大學常務副校長潘建偉介紹了從量子物理基礎檢驗到量子信息技術(shù)的新量子革命。
兩次量子革命帶來的改變
牛頓力學理論帶來了第一次科學革命，但是經(jīng)典物理學的決定論卻存在一個困境—— 一切事件都是在宇宙大爆炸時就已經(jīng)確定好的嗎?個人的努力還有意義嗎?
潘建偉引用了霍金的一句話——“即使是相信一切都是上天注定的人，在過馬路時也會左右看”。他解釋說：“雖然大家對牛頓力學理論取得的成就非常滿意，但對于它蘊含的決定論，我們持有很深的懷疑。”
懷疑促成了量子力學的建立。20世紀初，隨著量子力學建立而催生的第一次量子革命，使得人類在能源、信息、材料和生命等科學領(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重要產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都已經(jīng)逐漸逼近其技術(shù)極限，進一步發(fā)展遇到嚴重阻礙。
潘建偉說：“通常人們可以采用身份認證、傳輸加密、數(shù)字認證等手段確保信息安全。然而，一旦擁有足夠強大的計算能力，所有依賴于計算復雜度的加密算法原理上都會被破解。”
同時，大數(shù)據(jù)時代人類對計算能力的需求與日俱增，但是目前擁有的計算能力十分有限，例如集全世界計算能力的總和都無法在一年內(nèi)完成對280個數(shù)據(jù)的窮舉搜索。同時，隨著晶體管的尺寸逐步接近納米級，量子效應將起主導作用，晶體管的電路原理將不再適用。
幸運的是，量子力學的發(fā)展已經(jīng)為解決這些重大問題作好了準備。
潘建偉介紹說，1935年，愛因斯坦等人指出，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，為實驗檢驗量子非定域性與定域?qū)嵲谡摰拿芴峁┝丝闪炕姆桨浮４撕螅鲊鴮W者開展了大量的Bell不等式實驗研究，驗證了量子力學非定域性的正確性。
作為量子調(diào)控技術(shù)的系統(tǒng)性應用，量子信息技術(shù)可以在確保信息安全、提高運算速度、提升測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)展標志著第二次量子革命的興起。
中國量子通信技術(shù)國際領(lǐng)先
“發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標是構(gòu)建全國乃至全球范圍的量子通信網(wǎng)絡體系。”潘建偉表示。
對于量子通信，目前國際上有兩種公認的可行途徑：一種是利用中繼器(包括可信中繼和量子中繼)進行分段傳輸;另一種是利用衛(wèi)星中轉(zhuǎn)進行自由空間單光子傳輸，實現(xiàn)數(shù)千公里甚至是全球化的量子通信。
當前，中國在發(fā)展量子通信技術(shù)的研究和應用方面處于國際領(lǐng)先水平。為構(gòu)建廣域量子通信系統(tǒng)，我國建成了首個千公里級廣域量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”。
同時，經(jīng)過近10年的努力，科學家目前已可以用低軌衛(wèi)星進行量子通信。
2016年，在中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持下，世界上首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”圓滿實現(xiàn)了三大既定科學目標，在國際上率先實現(xiàn)了千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)、千公里級星地高速量子密鑰分發(fā)和千公里級地星量子隱形傳態(tài)。
潘建偉說：“去年我們可以每秒鐘產(chǎn)生1000個密鑰，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10萬個密鑰。”
量子通信將和經(jīng)典通信網(wǎng)絡銜接
“按照量子信息技術(shù)的發(fā)展趨勢，通過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)絡技術(shù)體系，推動量子通信技術(shù)在國防、政務、金融和能源等領(lǐng)域率先加以廣泛應用，實現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡和經(jīng)典通信網(wǎng)絡的無縫銜接，為形成具有國際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代國家信息安全生態(tài)系統(tǒng)奠定基礎。”潘建偉說。
同時，他表示，基于廣域的量子通信網(wǎng)絡，也將為構(gòu)建大尺度、高精度的時間頻率傳遞網(wǎng)絡，進行量子力學非定域性的終極檢驗，以及在外太空開展針對廣義相對論、量子力學與引力的結(jié)合等物理學基本原理的檢驗提供條件。
在量子精密測量方面，有望突破與導航、醫(yī)學檢驗、科學研究等領(lǐng)域密切相關(guān)的一系列量子精密測量關(guān)鍵技術(shù)，并完成一批重要量子精密測量設備與系統(tǒng)的研制，比如高精度光鐘、遠距離頻率傳遞系統(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從經(jīng)典信息技術(shù)時代的跟隨者、模仿者轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥硇畔⒓夹g(shù)的引領(lǐng)者提供了機遇。量子力學從最基礎的研究出發(fā)，慢慢發(fā)展成精致的技術(shù)，變成了實用化研究。實用化發(fā)展起來的技術(shù)，又可用于支撐量子力學非定域性檢驗研究和量子引力檢驗。因此對基礎研究的肯定，無論何時都是不過分的。”潘建偉說。
