20世纪初，量子热学剥开长久以来困惑数学学界的乌云，横空出世，从根本上改变了人们对微观世界的理解。历经百年，它除了成为数学、化学、天文、生命等学科在内的整个现代自然科学的支柱，并且推动了一系列现代科技的发展。
现现在，尽管“量子”这个名词在普通大众的视野中印见频繁，但它神秘的面纱却鲜为人揭。
国际量子信息实验领域开拓者之一、著名数学学家、中国科大学教授潘建伟，带我们品位量子热学、量子信息科学中深刻而丰富的化学内涵，及其在现代科学技术中发挥的重要作用。
和许多求知若渴的化学学家一样，潘教授对量子热学的钻研，源于对精典与量子热学背后数学内涵的深入思索。
众所周知，在精典数学中，一旦了解了一个粒子的初始状态，其未来的运动状态原理上都是可以被精确预言的。
这么，如今发生的一切风波，虽然从宇宙大爆燃伊始就全都被决定了，既然这么，个人的努力还有意义吗？
对待这些机械决定论的观点，霍金有过一个特别有趣的评价：虽然相信一切都是上天注定的人，在过马路时也会左右看，以免被车撞死。
而量子热学的诞生，革新了我们对世界的认识——世界本质上是带有随机性的。
这些对世界全新的认识，早年间在数学学界引起了巨大的争辩，爱因斯坦曾指责：上帝是不掷色子的，他觉得这些随机性的背后应当由更基本的确定性支配。
图1
与精典世界中所有物体都处于确定的状态不同，在量子世界中，物体可以处于不同状态的叠加。
一个为人熟知的思想实验是薛定谔的猫，量子世界中的猫可以处在又死又活的叠加状态（图1），直至外界对它进行观测，这个叠加态就会塌缩到精典的状态，死猫或则活猫。
量子世界中容许叠加状态存在的特点，造成了好多与精典化学不同的结果。
比如在精典世界中，我们可以通过检测一个物体获得它的全部信息，并进行克隆。但量子热学告诉我们，对未知量子态的检测会扰动其初始状态，致使未能获得原件的全部信息，致使单个未知的量子态未能被精确克隆，而这也是量子密码安全性的基础。
除此之外，量子热学的革命还促使了包括计算机、互联网、GPS等诸多现代技术的发展。
随着科技的进步，现代信息技术的发展面临着许多困局问题。
首先，网路信息安全面临严重的恐吓。传统信息安全依赖于加密算法，而加密算法的安全性依赖于估算复杂度，随着估算能力的提高，这种算法在原理上就会被破解。
据悉，估算能力的发展也遇见了困局。发展算力的传统方法主要是降低晶体管的集成度，但这最终会促使晶体管的规格步入亚纳米尺度，量子隧穿效应将显露，以至于精典的电路原理不再适用，但是随着集成度的下降，煤耗也会更加巨大。
图2
经过百年的发展，量子热学早已为解决这种问题做好了充足的打算，这主要依赖于量子热学中叠加与纠缠这两个基本性质。
与一个粒子可以处在叠加状态类似，两个粒子也可以共同组成叠加状态，而纠缠态正是一种特殊的叠加态。
对于两只处于特定纠缠态（图2）的猫，一旦看到其中一只是活的，另一只会马上塌缩到活的状态量子通讯潘，不论相隔多远。爱因斯坦称这些现象为：遥远地点之间的奇特互动。
当时对这些现象的理解，众说纷纭。爱因斯坦觉得，假如对一个粒子没有引起任何影响却还能精确预言它的状态，这么这个数学量的值一定是预先确定好的，与是否执行检测无关。
这些观点被称为定域实在论，与此相对的还有另一种阐释：单个粒子的化学量在检测之前并没有确定的值，只有在检测的时侯，能够决定它的状态。
这两种观点在当时的实验中并不能彰显出差异，直至1964年，化学学家贝尔提出了知名的贝尔不方程，表明这两种观点可以在实验上被分辨，虽然这么，对不方程的完美检验还仍然有待实验的深化。
在不断设计实验精确验证贝尔不方程的过程中，科学家渐渐发展出了一套精确调控纠缠粒子技术，这种新技术的发展带来了第二次量子革命量子通讯潘，直接促进了量子通讯、量子估算、量子精密检测等领域的蓬勃发展。
图3
在量子通讯方面，第一项比较成熟的研究是量子秘钥分发（图3）。
在传输秘钥的过程中，由量子热学的基本原理保证，监听者不可能在通信者不知情的情况下抢走或复制秘钥，这就保证了秘钥分发在原理上是绝对安全的。
另一种有趣的研究叫量子隐型传态，借助两粒子之间的纠缠，可以实现量子态在两地间的传输，而这也是建立量子计算机的基础之一。
由于量子比特可以处在叠加态的这些特点，促使量子估算的估算能力随可操纵的量子比特数呈指数下降，所以理论上它可以突破精典计算机算力的困局，这对大数据、人工智能、气象预报和抗生素设计等领域还会起到促进的作用。
有了理论研究的基础以后，怎样把理论成果转化为现实应用同样也面临着很大的挑战。
比如，尽管量子通讯在理论上是安全的，但在现实条件下，并不能保证光源或侦测器按预期完美地工作，这样一来可能造成存在安全性的漏洞被监听者借助。
另外，因为光纤的固有耗损会随着传输距离指数下降，致使现实中远距离传输量子比特显得异常困难。
这种困局直至近日才被克服，到目前为止早已可以比较放心地觉得，现实条件下量子通讯系统的安全性早已迫近理论的预期。
为了使量子通讯技术更具实用性，其通讯距离还须要被进一步扩充，潘建伟团队采用了基于可信中继的远距离量子通讯技术，于2017年完善了总长2000余公里的城际光纤量子通讯干线“京沪干线”。
图4
潘教授介绍，可信量子中继技术并不是解决远距离通讯的终极方案，她们提出一套自由空间的量子通讯方案，在研究中攻破了许多技术难关，通过不懈的努力，最终于2016年8月成功发射了“墨子号”量子科学实验卫星（图4）。
带着科学任务的“墨子号”卫星从上天伊始，就不断地给地面传来喜讯：千公里级量子秘钥分发的速度相较于同距离地光纤，被提升了20个数目级；千公里级地星量子隐型传态得以实现。随即她们又和多国合作，完成了洲际量子通讯实验。
马不停蹄，潘建伟团队于2020年又实现了基于纠缠的量子秘钥分发实验，原理上可以做到，虽然卫星为别人控制，也能获得安全的秘钥。这必将实现所有密码学者千年来的梦想，做到密码不可被破译。
除此之外，相关技术还可以拿来检验引力的量子化问题，并早已得到了一些初步的结果。
对于下一代量子通讯卫星方案，潘建伟教授介绍，不仅低轨卫星网路之外，还可以发射中高轨道的卫星，这样既能满足机要部门业务化运行的需求，又能完善覆盖全球、全天时的工作空间量子通讯网。
据悉，对量子估算发展的规划，潘建伟教授也做了简略的介绍。
第一阶段，预期实现对若干问题的估算能力，赶超传统的超级计算机；第二阶段，实现专用的量子模拟机，以阐明若干精典计算机难以胜任的复杂化学系统的规律；第三阶段，造出可编程的通用量子计算机。
目前，我国在光、超导、超冷原子量子估算实验等方面都取得了巨大的研究进展。
未来，潘教授还预期建立一套完整的天地一体的广域量子通讯网路技术体系来服务国家信息安全，建立超高精度的空间光钟来侦测引力红移与不同频段的引力波，结合登月计划实现地月之间的量子纠缠分发等。