“继对撞机、引力波以后，又一个“高冷”物理名词——量子，近些年来逐步从幕后迈向了台前。在科学家们眼里，这一扑朔迷蒙的量子到底是何方神圣？它有什么神奇绝招，又有何用？
在近期举办的两院教授会议上，中国科学技术学院院长、中国科大学教授潘建伟带来了一场有关量子的精彩介绍。”
图为“墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐型传态实验平台构建天地链路（合成相片）。
神奇的量子
量子是构成物质的最基本单元，因为具有相干叠加特点，可以形成“量子纠缠”，因此与相对论一起，带来了第二次科学革命。
一旦确定了初始状态量子传输速度，按照热学多项式，所有粒子未来的运动状态都是可以精确预言的——这是基于牛顿热学得出的推论。
“如果根据这个思路再往下思索量子传输速度，一切风波（例如明天的大会）都是在宇宙大爆燃时就早已确定好的吗？个人的努力还有意义吗？但人其实是有自由意志的。”潘建伟引用霍金的一句话：虽然是相信一切都是上天注定的人，在过马路时也会左右看。
“所以，虽然我们对牛顿热学十分满意，但对其中蕴涵着的决定论，仍持有异议。”潘建伟说。
上世纪初，归功于普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡等诸多杰出科学家的共同努力，又一扇科学之门徐徐打开。究竟是哪些改变了牛顿热学的基本观念？其中一个就是量子热学。量子是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，不可分割。所有人们所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。
按照精典化学学，一个客体的状态（用0和1表示）如同最简单的二补码开和关，只能处于开或则陇右的某一个状态，即要么是0要么是1，这就好比一只猫，要么是生要么是死，不能同时“又生又死”。但这一理论并不适用于量子世界。“比如在量子世界，一个氢原子的状态，可以是激发态和能级的相干叠加，可以0和1状态同时共存。”潘建伟举例。
这些所谓的量子相干叠加正是量子世界与精典世界的根本区别，由此有了量子热学不确定原理：量子体系中通常情况下一个数学量的值并不能预先确定，而是依赖于采取何种检测基，进一步，对处于量子纠缠的两个粒子，对其中一个粒子的检测结果会顿时确定另一个粒子的状态，不论它们相距多么遥远。这就是“量子纠缠”，爱因斯坦称这个现象为“幽灵般的超距作用”。
潘建伟打了个比方：一个代表团从上海到慕尼黑去访问，假如在飞行途中睡著了，不晓得是途经俄罗斯还是美国，到上海时，她们会认为“又冷又热”，觉得似乎同时穿越了两条路线。但若果飞行途中仍然睁着眼睛去看，或则有仪器检测，这么测量到的状态是客机只会处于一条航线上，代表团到达南京时要么觉得冷，要么觉得热。
“叠加原理觉得，一个量子客体可以处于不确定的状态，也就是说在检测之前，连上帝都不晓得，观测者的行为还可以影响体系的演进。这些颠覆性的认知和相对论一起，带来了第二次科学革命，从而催生了新的产业转型。”潘建伟说。
与会科学家认真听取潘建伟教授发言。
安全的通讯
借助量子相干叠加原理所形成的量子保密通讯，成功克服了精典加密技术的内在安全隐患，可以从根本上解决信息安全传输问题。
从春秋时期的兵符到古埃及的加密棒，以及罗马帝国凯撒大帝发明的字符联通加密术，再到二战时出现的复杂密码……人类追求信息安全的步伐未曾停止。
为确保被授权的用户身分不被泄露，可以用加密算法进行身分认证；为保证传输过程中信息不被监听，可以进行传输加密；为保证传输内容不被篡改，可以用加密算法进行数字认证。某种意义上，现今的信息安全是构建在加密算法或则加密技术的基础之上。
“然而，精典加密算法依赖于估算的复杂度，若果估算能力足够强悍，原则上就会被破解。人们早就怀疑‘以人类的才智难以构造人类自身不可破解的密码’，这是目前精典加密算法面临的窘境。”潘建伟说。
辛运的是，量子热学的发展早已为解决这一问题做好了打算。量子叠加的“分身术”，具有一个最为直接的应用——就是广受关注的量子保密通讯。
潘建伟说，科学家们可以借助单光子来传输秘钥。假如有监听者想截取单光子，检测其状态并发送，这么，单光子都会从原有状态“0+1”变成0或则1，通讯中都会引入扰动并会被使用者察觉。其实，精典光通讯中还有一种监听方式——截获一部份光，让其余部份继续传送，仅对查获到的部份进行状态检测获取秘钥信息。并且，因为单光子不可分割，监听者不可能就像在精典光通讯中那样，把讯号分成一模一样的两半，监听也由此失败。
“量子通讯克服了精典加密技术内在的安全隐患，由于其安全性不依赖于估算复杂度，这是原理上无条件安全的一种通讯方法，一旦存在监听必然被发觉。”潘建伟称。
单光子的不可分割性和量子态的不可复制性从原理上保证了信息的不可监听，再结合“一次一密”的加密方式，就可以实现信息的不可破解，进而确保了身分认证、传输加密以及数字认证等技术手段的无条件安全。
不过，要在现实条件下实现远距离的量子通讯，并非听上去这么简单。量子讯号由于不能被复制，所以不能被放大，讯号会随着传输距离的拉长，显得越来越弱。例如，厚度为1200公里的商用光纤中，虽然有每秒百亿发射率的理想单光子源和完美的侦测器，也须要数百万年才会传送一个量子比特。这样的传输速度似乎不易于远距离传输。
如何办？目前国际上公认有两种可行的途径：一种是借助中继器进行分段传输，另一种是借助卫星中转进行自由空间单光子传输，实现数千公里甚至是全球化的量子通讯。
2016年，随着全球第一颗量子科学实验卫星——墨子号发射成功，实现信息“绝对安全”的梦想又往前迈入了一步。“去年，千公里级量子秘钥分发速度达到1kbps，比同距离光纤增强20个数目级；如今，每秒钟可以稳定分发十万个秘钥甚至几十万个秘钥。”潘建伟说。
可期的未来
潘建伟表示，以量子信息技术为代表的第二次量子革命，一定会带来人类社会物质文明的巨大进步。
量子通讯不是惟一应用。
大数据时代，人类对估算能力的需求与日俱增。但是，目前人类拥有的估算能力还相当有限。诸如，集全世界估算能力的总和都未能在一年内完成对280个数据的穷举搜索。与此同时，随着晶体管的规格逐渐接近纳米级，晶体管的电路原理将不再适用。而通过超大规模处理器集成的超级计算机因为煤耗惊人，也面临着发展模式不可持续的困局。以为例，下一盘棋类须要消耗10吨煤形成的电量。
“利用量子相干叠加原理，可以构造具有强悍并行估算和模拟能力的量子计算机。”潘建伟说，量子计算机的估算能力随可操纵的粒子数呈指数下降，一台操纵100个粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力可达到目前全世界估算能力总和的100万倍。借助万亿次精典计算机分解三百位大数大概须要15万年，这正是目前广泛使用的RSA私钥密码体系安全性的基石——现有估算能力难以在短时间内破解密码，但是借助同样工作频度的量子计算机则只要一秒钟。由此可见，一旦量子计算机研发成功，对现有密码体系的冲击将是崩溃性的。不过，量子热学在提供了破解密码“最锋利的矛”的同时，也为我们提供了信息安全“最牢靠的盾”——量子通讯的安全性与估算能力无关，虽然在量子计算机时代，照样可以保障信息的无条件安全。
其实，量子计算机造下来还需时日。“届时，量子估算可为人工智能、密码剖析、气象预报、石油钻探、基因剖析、药物设计等所需的大规模估算困局提供解决方案，并可阐明量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂化学机制。”潘建伟表示。
除了这般，借助高精度的量子信息处理技术，还可对时间、位置、重力等化学信息实现赶超精典技术极限的量子精密检测，大幅度提高卫星导航、激光制导、水下定位、医学检查和引力波侦测等的确切性和精度。诸如，借助目前最好的传统自主导航技术，水下航行100天后，定位偏差达数十公里，须要定期下浮使用卫星修正；而借助原子干涉重力仪等高精度量子自主导航系统，水下定位航行能力可急剧提高，不需卫星修正就可实现常年自主导航。
“第一次量子革命早已在20世纪对我们的社会面貌和生活形式形成了巨大影响。可以预期，以量子信息技术为代表的第二次量子革命也一定会带来人类社会物质文明的巨大进步。”潘建伟说。