“‘第二次量子革命’是一个十分好的机遇，是一个才能使我们从之前的追随者、模仿者变为推动者的机会，中国的科学家希望在‘第二次量子革命’里才能发挥十分好的作用。”
陆朝阳
中国科学技术学院院长
你们好，十分荣幸有机会和你们分享在过去的十几年里，我国在量子通讯领域，从追随到领跑的过程中发生在我身边一些的故事。
可能好多人看过那些新闻，2016年8月16日量子通讯潘，我国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星。
国际上几乎所有最重要的媒体，如BBC、《纽约晨报》，还有《自然》、《科学日本人》等刊物，都报导了这个风波，并把它评为改变世界的十个重大科学风波之一。《华尔街晚报》也以《沉寂了一千年，中国誓回发明创新之巅》为题进行报导。
以量子卫星为代表的来自中国的一系列量子信息技术成果也直接或则间接触发了法国和意大利的重大投入。例如，法国即将启动了量子技术旗舰项目，新加坡也通过了“国家量子行动法案”。
欧美对量子技术的投入
微软、IBM、微软等企业也早已十分强势地介入量子估算研究。
微软、IBM、微软等企业介入量子估算研究
平常，我们也会看见好多消息，例如斯诺登爆料韩国正在研制可以破译任何密码的量子计算机。其实，不须要斯诺登的爆料，我们也晓得瑞典肯定会投入研制类似的量子计算机。
好多时侯出于商业目的，微软和IBM也常常会发布有关量子估算方面的新闻。再例如，扎克伯格刚才满月的儿子，早已开始学习《宝宝的量子化学学》（其实是开玩笑的）。那些让我们非常有危机感。
扎克伯克一家
其实也有一些不靠谱的广告，例如量子鞋垫、量子水……
虚假广告
引起从小娃娃到大企业如此高兴趣的量子究竟是哪些？它有哪些用？我国现今处于一个哪些样的阶段？这就是我想跟你们分享的内容。
哪些是量子
量子是物质和能量最基本的单元。我站在讲台上，有灯光照过来，光有最小的不可分割的单位，它的能量十分小。一个40瓦的灯泡，一秒钟可以放出万亿亿个光子，即1020个光子。
光子
组成物质的基本单元，如原子、分子的典型尺度为10-10米，比纳米还要小十倍，差不多是我们毛发丝的百万分之一。
原子
分子
直接用我们的耳朵“看”不到这种量子的基本粒子。想像以下，倘若能像孙悟空一样可以把自己缩小成一只十分小的苍蝇，再进一步缩小为一个电子，我们就可以试着到原子上面看它的样子。
右图是用薛定谔多项式估算下来的，一个最简单的原子，即一个氢原子只由一个原子核和一个电子组成，所呈现下来的美丽的形状。化学学并没有想像中的这么无趣，它是十分漂亮的一门学科。
氢原子波函数
有句话说：一叶一菩提，一沙一世界。接出来，我们通过一个特别简单的游戏，了解量子世界的运动有什么比较奇怪的规律。
好多人都打过兵乓球，这个新游戏上面让兵乓球通过两个狭缝，最终会在前面的屏幕上留下两个痕迹。
假如把兵乓球缩小为一个电子，重新玩这个游戏。此时，一个特别奇怪的现象出现了。如视频最后所示，屏幕中会出现多条疏密相间纹。
量子“保龄球”实验结果
如右图所示，精典世界和量子世界产生了极其鲜明的对比。精典世界是我们都十分熟悉的，球打过去就是这样的结果。在量子世界，有点像孙悟空的分身术，球的两个分身可以一起经过左右两条细缝。
左：精典世界右：量子世界
这就是量子世界不同于精典世界的一个特别奇妙的特点量子通讯潘，量子世界准许一个物体同时存在于多种状态。
量子估算主要就是依赖于这个特点。估算的基本单元是0和1，比如，我们可以用图中的蓝色和白色路线分别代表0和1。
量子世界
1个量子比特中，0和1两种状态同时存在；50个量子比特，有250种状态同时存在。这种状态同时输入一个函数，可以同时得出250种状态的结果，提供一种极其快速的并行估算方式。
但假如我们想看以下量子的兵乓球究竟是从右边（蓝色）还是左侧（红色）过去的，此时，一个愈发奇怪的现象出现了。
假如没有人观测，量子会从两侧同时经过，一旦有人观测，这些量子现象都会消失，退化回到精典现象。
所以，量子的状态和其是否被检测相关。这些性质是量子保密通讯原理的一个形象描述，就是说，一旦有人监听量子通讯的通道，他不可防止地会扰动、改变量子状态，进而使通讯双方察觉，这样，在化学原理上保证了通讯的安全性。
量子通讯保密原理
量子的应用
好多人认为这个听上去有点意思，而且虽然体会不到高冷的量子化学和我们生活的关系。虽然，过去的一百多年，自量子热学发展以来，它所催生的各类技术早已彻底改变了我们的生活。
例如，我们明天使用的计算机、笔记本笔记本、手机的芯片，其基本的估算单元是晶体管，就是基于量子热学中的能带理论发明的。
激光也来始于量子热学，我们使用的硬碟（巨磁阻）、硬盘，还有LED发光等，都依赖于量子热学。并且之前的那些量子技术，都是基于量子规律的宏观应用。
第一次量子革命
近来几六年，数学学发展到新的阶段，虽然有百亿亿个光子，在实验室里可以精准地控制一个一个的光子、一个一个的原子。这种技术正在催生“第二次量子革命”的一些新技术，包括安全通讯、超快估算、精密检测等技术。
第二次量子革命
我国量子技术的发展
变革开放40年，好多方面发生了翻天覆地的变化。回顾过去会对这些变化有更加深切的体味。我们把时间轴拨回1996年，当时，我的导师潘建伟老师刚去意大利留学。
有三天，他兴冲冲地去找他的导师安东·塞林格，说自己通过估算发觉了一个有趣的理论方案。讲完这个方案后，安东问他有没有据说过“量子隐型传态”，潘老师说不晓得。
左：Anton右：潘建伟
因为当时互联网水平的限制和国际刊物在国外的普及程度不够，在不晓得1993年等人的PRL文章情况下，潘建伟就重新独立推导入了量子隐型传态，这是量子信息中的一个核心方案。
从到达因斯布鲁克的第三天开始，导师安东就问潘建伟的留学梦想是哪些，他回答说：“要在中国构建一个世界一流的量子实验室”。
过去的十几年，在中科院、科技部、基金委、教育部等部门的支持下，这个梦想正一步步走向现实。
人才培养和团队建设历程
2002年，我们的团队只有5个人。从2006年开始，好多年青的中学生被派到世界各地，在国际先进的实验室学习新技术。
2009年，刚才出席完《复兴之路》的主题展，潘建伟老师兴奋地给几乎所有的中学生发了一条邮件，希望我们才能归国为民族复兴竭力。2011年，这种中学生基本都回到了国外。
我们团队主要的研究路线从量子基础研究开始，之后步入应用基础研究，再渐渐的把一些就能直接应用和产业化的技术投入实践应用，反哺社会经济发展。
研究路线
例如，在多光子纠缠领域，我们仍然在国际上保持领先的地位，目前，我们早已实现了18个光量子的纠缠。
纠缠量子比特数量
借助国际一路领先的多光子纠缠和干涉技术，我们在2017年实现了第一台在“波色采样”这个特定任务上才能赶超最初期两台精典计算机的光量子估算截击机。这是走向“量子霸权”先期基础测试的一步。
量子通讯
我们仍然在做的不是弯道会车，而是直道会车。量子科学实验卫星是直道会车的一个特别好的范例。
最开始在论证的时侯，有些专家会问美国有没有举办这样的研究。有好多人的概念是，基本上加拿大举办研究了，我们才开始研究。
基于量子卫星和“京沪干线”（沪宁干线：联接天津、上海，贯串西安和兰州全长2000余公里的量子通讯骨干网路），我们国家首次勾画了天地一体化的量子通讯网路的新蓝图。
沪宁干线
如今好多美国单位，包括亚洲、美国，都主动来找中国的单位，要求加入我们的合作项目。2017年，“墨子号”实现了从上海到维也纳的7600公里的量子保密的通讯。
右图展示了地面和卫星的对接，坐落我国拉萨阿里。
地面与卫星对接
量子估算和精密检测
据悉，我们在量子估算方面也做了比较系统的布局，借助超冷原子就能实现一些实用化的量子模拟技术。
超冷原子量子模拟
借助超导量子估算探求和攻关通用的量子计算机，目前我们早已做到了12个超导量子比特的纠缠。
12个超导量子比特的纠缠
平常在新闻里可能会看到，IBM做到了50个量子比特，微软做到了72个，但她们声称的量子比特数量还不能形成量子纠缠。
过去的十几年，我们在国际上获得一些比较好的评价。2007年，《新科学家》在其《中国崛起》专刊里提及：“中国科学技术学院——因而也是整个中国——牢牢地在量子估算的世界地图上抢占了一席之地”。
2012年，《自然》年度十大科技亮点中说“标志着中国在量子通讯领域的崛起，从10年前不起眼的国家，发展为现今的世界劲旅”。以后的2013、15年、17、18年，我们也分别有原创成果荣获国际上的一些重大进展。
得奖情况。由左至右：2012年《自然》；日本化学学会“2013年度亮点”；日本化学学会“2015年度突破”；《自然》“2017年度国际重大科学风波”
右图总结了我国量子信息领域在高水平刊物上发表论文的情况，可以看见，从1998年开始，高水平论文数目早已下降了80多倍。这也是我们国家科技方面在变革开放40年里进步的写照。
我国量子信息领域高水平论文发表情况
未来，希望借助我昨天所讲的技术，在地面用光纤的方式实现城市里多个节点的量子通信网路，再借助卫星实现超远距离，比如几千公里的安全信息传输，成立一个才能保障国家信息安全的骨干网，同时催生下一代的信息技术。
总的来说，量子通讯早已比较成熟了，但是我国是全面领先于法国和德国的。但量子估算刚才从基础研究跨入技术积存和集中攻关的阶段，按照其实现难度，基本可以分为三个阶段。
量子估算发展三阶段
第一阶段：量子霸权。量子霸权是一个学术定义，指才能造出一台在某个问题上赶超精典计算机能力的量子计算机。我们希望在未来的两两年内才能达到这个目标。
第二阶段：实用量子模拟机。未来的5—10年，我们希望实现一些有实用价值的，例如可以应用于材料设计、组合优化、大数据等的模拟机。
第三阶段：通用量子计算机。这是最终、最困难的目标。
量子精密检测的实现难度比量子估算容易，它的应用将也会特别广泛。借助量子比特十分敏感的特点检测一些重要的数学量，例如重力、磁场、电场、温度等。因而把它用于导航技术、生命医学检查等方面。
左：惯性导航右：重力地图
左：纳米级空间码率高灵敏电磁场、温度检测
右：环境与安全检测
国际挑战
尽管目前态势较好，但我们也面临着一些特别严峻的国际挑战。2017年10月24日，日本众议院举行听证会讨论怎样保证日本在量子技术国际竞争中的领导地位。
大会谈到：“德国最先举办核装备研发，但日本率先造出原子弹；南斯拉夫最先步入太空，但日本率先实现了登月。虽然目前中国在量子技术若干方向上暂时具有优势…”
“……只要日本政府有意愿，就一定才能再度领先……美国绝对难以承受在量子技术革命竞争中失败的代价。”
最后做一个总结。“曼哈顿计划”改变了20世纪的世界格局。“第一次量子革命”时，由于历史缘由，中国并没有太多的参与，但如今“第二次量子革命”是一个十分好的机遇，是一个才能使我们从之前的追随者、模仿者变为推动者的机会，希望中国的科学家希望在“第二次量子革命”里才能发挥十分好的作用。
感谢你们。
SELF格致论道讲堂
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