“墨子号”量子科学实验卫星过境，成都南山观测站科研人员在做实验（合成相片）。新华社发
中共中央政治局日前就量子科技研究和应用前景举办了第二十四次集体学习。量子科技是事关国家安全和社会经济高质量发展的战略性领域，其具体应用包括量子通讯、量子估算、量子精密检测等。
当前，量子科技已步入到推进发展、快速突破的新阶段，急切须要多学科的紧密交叉和各项关键技术的系统集成。在量子科技领域整合科技资源、集中力量突破，已在世界范围内产生广泛共识。
明天，量子信息技术正在推动一场新的科技革命量子通讯技术，将深远地影响人类社会。放眼更久远的未来，量子科技发展所取得的突破似乎将帮助人类实现现在无法企及的梦想。从这个意义上说，量子科技正是率领我们“飞向未来的船与帆”。
第一次量子革命为突破“摩尔定理”做好打算
量子的概念最早由荷兰化学学家普朗克提出来，从某种意义上讲，普朗克应当算是旧量子热学的叔父。爱因斯坦和玻尔是旧量子热学之父，她们又是新量子热学的叔父。海森堡、薛定谔和狄拉克等则构建了新量子热学——真正有多项式去求解的量子热学，因而引起了第一次量子革命。
量子热学给人类带来了许多技术革新，核能、晶体管、激光、核磁共振、高温超导材料、巨磁阻效应等发觉和发明都和它有关。可以说，量子热学是现代信息技术的硬件基础，物理则是软件基础，物理和化学结合在一起，奠定了整个现代信息技术的基础。
虽然，从日常使用的一部手机里，就可以看见好多与量子热学相关的基础研究成果。有人统计，共有八项诺贝尔奖成果在手机上面：半导体元件是2009年诺贝尔数学学奖、集成电路是2000年诺贝尔化学学奖……
正是有了半导体，才有现代意义上的通用计算机；之后在加速器的数据往全世界传递的过程中，催生了互联网；为了检验相对论，人们借助量子力学造出了极其精确的原子钟，在原子钟的帮助下，我们可以进行全球卫星导航定位。可以说，第一次量子革命直接催生了现代信息技术。
随着技术的进一步发展，现代信息技术遇见了两大挑战：一是信息安全困局，二是估算能力的不足。
实现信息的安全传送，自古以来就是人类的梦想。人类早在公元前就发明了一些特别聪明的加密算法，随后又不断设计出愈加复杂的密码，但随着估算能力的提升，这种加密算法都被破解了。人类到底能不能建立一种自己破解不了的密码呢？
估算能力的提升，可以帮我们破解密码，同时也剌激我们形成更为巨大的算力需求。随着大数据时代的到来，全球数据量呈指数级下降，每三年翻一番，对估算能力的需求十分巨大。上世纪40年代，一台计算机重达1吨，每秒运算五千次。而到了2010年，一台智能手机已可每秒钟运算好多亿次，帧率不超过5瓦，估算能力却相当于法国阿波罗登月计划估算能力的总和。
通常来说量子通讯技术，提高估算能力须要通过加大芯片的集成度。但目前，摩尔定理正式迫近极限，恐怕再过六年，才会达到亚纳米规格。到那时，晶体管的电路原理将不再适用。如何解决信息科技面临的这种问题？目前的量子热学早已初步为突破信息安全和估算能力的困局做好了打算。
第二次量子革命步入主动操纵量子的崭新时代
假如说第一次量子革命是人类对量子规律的被动观测和应用，这么第二次量子革命则是人类对量子状态的主动调控和操纵，目前主要发展的应用领域就是量子信息技术。
第二次量子革命可从1935年算起，到1950年形成了量子纠缠，1972年以后发展出了较好的技术，就能对一个个量子状态进行主动操纵，例如可实现单光子的形成、操纵和侦测。这个过程虽然十分困难。就拿一个15瓦电灯泡来说，它每秒钟发射出1021个单光子，要从如此多光子中掏出一个个光子去做信息处理，对实验技术要求十分高。
不过，一旦才能从下往上对微观粒子进行组装、操纵，虽然就把握了搭建整个世界每一块积木的本领。这些进步，相当于从孟德尔通过被动观察总结出遗传定理，进步到基因工程主动调控生命形态。
量子信息技术主要有两方面：一是量子通讯，可实现原理上无条件的安全通讯方法；二是量子估算，可提供一种超快的估算能力。
量子通讯的应用之一是量子秘钥分发。它的原理很简单，依据量子不可克隆定律，单光子不可分割，所以当人们用一个个光子来传输秘钥时，即使监听存在，也一定会被察觉，这么我们就遗弃这些存在监听的风险秘钥，保留安全秘钥，再加上“一次一密”的保障，加密内容就不可破译，这是基于数学学原理的无条件安全。
借助量子纠缠可以把量子态从一个物体传送到另一个物体上，但原先的信息载体不用传送过去。例如说，我们在北京有一个微观体系，它由成千上万个原子组成。倘若北京和天津之间有好多对纠缠原子，就可以把北京的体系和在南京的纠缠原子做一个联合检测，再把检测结果通过无线电台发送到广州，广州只需对手中的原子进行操作，就可以把北京的体系重新给制备下来——这就相当于在广州的体系被传送到了上海一样，但我们并没有把在北京的任何一个实体原子送到上海。
这本质上是一个量子态传输的结果，几十、几百个原子的状态，只要操作得足够快，就可以在网路里传来传去，这样一种操作便构成了量子计算机的基本单元：量子信息在网路里可以走来走去以后，就可借助量子叠加来进行量子信息的处理，这就是量子计算机。借助这些特质，可以设计一些相关的算法，实现快速分解大数、快速求解线性多项式组等，假如制造下来，就可应用于破解精典密码以及人工智能、大数据等领域。
量子保密通讯“绝对安全”信息传输渐行渐近
量子通讯的发展目标是要在更大范围内实现安全的信息传输，发展路线是通过光纤实现城域的量子通讯网路、通过中继实现城际的量子网路、通过卫星中转实现远距离量子通讯。
在量子通讯这一领域，中国科学家有好多重要的贡献。例如，复旦学院段路明院士在量子中继方面做了挺好的工作；在光纤城域网路领域，复旦学院王向斌院长也有挺好的工作。
基于可信中继技术，中科大量子通讯团队在2007年首次把光纤量子通讯的安全距离拓展到100公里。2008年，我们建设了一个大型网路，2012年又建成了规模化的量子通讯网路，并投入了永久使用。最后，我们逐渐把这种局域网连上去，弄成了如今的“京沪干线”。将来，量子中继可能是最终解决远距离量子通讯问题的路径之一。
以目前的技术，要实现远距离的量子通讯，须要卫星的中转。通过十几年的努力，我们和中科院武汉技术化学研究所、微小卫星创新研究院的联合团队，研发成功了国际上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”，并于2016年8月成功发射。目前，卫星已在轨运行四年多，状态和性能仍然良好。
“墨子号”有三大科学实验任务。一是星地间量子秘钥分发，即在1200公里的距离上，目前每秒可点对点发送十万个安全秘钥，这比相同距离的光纤传输速度提升了20个数目级。二是实现了伊宁到西安、德令哈到拉萨之间，相距约1200公里的量子纠缠分发。三是实现了上千公里的量子隐型传态。这种工作在2017年完成后，“墨子号”就实现了天地之间的量子通讯，再加上“京沪干线”所实现的千公里级光纤城际量子通讯网路，共同构成了天地一体化广域量子通讯网路的雏型——这是国际上量子信息领域两个标志性风波之一。
在“墨子号”成功施行以后约一年，欧共体启动了量子旗舰计划，而日本则启动国家量子行动计划，量子信息在全球开始热上去了。
量子估算的未来破解精典计算机解决不了的问题
量子估算发展的第一阶段是量子优越性，这已由微软公司于2019年10月实现，即针对个别特殊问题，造出一台比目前超级计算机算得更快的量子计算机，大约需要约50个比特。这也是量子信息技术的两大标志性风波之一。
该系统名子叫作“悬铃木”，约能操纵53个超导量子比特。它须要200秒算完的任务，目前世界排行第一的“顶点”超级计算机大约须要算一万年左右。
第二阶段，科学家希望还能操纵四五百个量子比特，以构造一种专用的量子模拟机，针对一些复杂化学系统，例如低温超导机制、新材料设计等目前超级计算机算不了的问题，用量子模拟机来进行运算，解决一些实实在在的问题。
二三六年后，人类似乎能造出一台可编程的通用量子计算机。这须要通过各类体系来举办相关工作，例如复旦学院薛其坤院士所研究的拓扑量子估算、段路明院士从事的离子阱量子估算等。
不仅上述提及的工作外，目前我国在量子估算领域的研究主要集中在三个方向：第一是光量子估算，去年大约就能实现50个光子相干操纵，也才能达到量子优越性，我们采用了与微软不同的技术途径。第二，在超导量子估算方面，希望在去年年末，能做到60个左右的量子比特。第三，希望量子估算能真正拿来解决一些数学学、化学、材料科学中很重要、但用精典计算机解决不了的问题，目前已有比较好的进展。
展望未来，在量子通讯方面，我们希望还能在外太空搭建一个十分精准的光钟，这个光钟的稳定度大约可以达到10万亿年偏差不超过一秒钟——再结合广域量子通讯技术，就可以提供一种引力波侦测的新途径。
我们也希望，将来可以在月球和地球之间的拉格朗日点放一个量子纠缠光源的荷载，假如未来还可在地球上放一个基站，那就可以在月球和地球之间举办光秒量级距离的、有观测者参与的量子热学非定域性的检验。
（作者系中国科大学教授、中国科学技术学院常务副院长）