盘点近些年来的科技热词，“量子”肯定能纳入其中。但谈论的人多，理解的人却依然寥寥。
量子热学除了彻底改变了人类对世界的认知，也将使我们的生活发生翻天覆地的变化。但量子到底是哪些？科技领域有何研究进展？将为我们带来哪些？在近期第二十三届中国文联峰会上，全省政协委员，中国文联副主席、中国科大学教授潘建伟以“新量子革命”为题，为我们解答了众多疑惑——
量子热学塑造信息技术发展
在人类历史上，产业革命总是和科学革命紧密相连，而以信息技术为代表的产业革命主要是构建在量子热学和相对论的基础上。
所谓“量子”不是某种系统或某种物质，而是对我们构成物质最基本单元的总称，是能量最基本的携带者，它的基本特点就是不可分割性。
事实上，量子是我们的老同学。量子热学为信息革命提供了硬件基础，激光、半导体晶体管、芯片的原理等都缘于量子热学。
“正如晶体管是计算机的基础，激光技术是现代互联网的重要支撑潘建伟 量子通讯，导航技术的发展离不开原子钟等精密检测技术的支撑……量子热学的构建直接催生了现代信息技术的发展。”潘建伟觉得，“经过百余年的发展历程，量子热学早已为解决我们目前遇见的一些问题做好了技术上的储备。”
为什么提出“新量子革命”？是由于随着技术的发展，量子科学技术出现了新的方向和新的生命力。学界对量子领域的研究早已从被动观测转为对量子状态进行主动操纵，被称为“第二次量子革命”。
具体到信息技术发展领域。一方面，信息安全是信息技术进一步发展的重要困局，目前的网路信息安全每天都面临着严重的恐吓。大约在100多年之前，你们就开始讨论，以人类的才智，究竟能够构造出一种人类自身不可破解的密码？
另一方面，随着人工智能和大数据时代的到来，估算能力的需求进一步降低，须要找到一种新的途径。
在这样的背景下，借助量子的基本性质，促进信息科技的进一步发展就成为科学家们孜孜不倦的追求。
据潘建伟介绍，目前量子信息科学主要才能提供两种应用方法：一是无条件安全的信息传输方法；二是提供超快的估算能力，阐明复杂系统规律。
具体来说，因为量子不可分割原理，假若信息被他人取走，最后的接收者将收不到秘钥，也就不能拿秘钥进行信息传递，这样可以保证加密内容不可破译；再加上量子热学觉得，不可能把一个粒子的状态信息精确“拷贝”一份而不改变它本身，即量子态是不可复制的，保证了量子分发本身的安全性。
在估算方面，量子论和精典数学的最大不同，就是它觉得事物状态并不是惟一确定的，而可以是各类可能性的“叠加”。如传统计算机处理信息的最小单位比特，要么是0要么是1；但在量子论看来，一个比特处于0和1的叠加态，被称为“量子比特”，借助这些性质处理数据时可以并行运算。换句话说，传统计算机一次只能处理一个信息，而量子计算机一次可以处理N个信息的叠加，估算效率大大增强。为此，量子估算具有强悍潜能，可用于精典的密码破译、气象预报、金融剖析、药物设计等。
走在前列的量子通讯技术
2016年8月，“墨子号”量子科学实验卫星在兰州卫星发射中心发射升空。这是世界上第一颗量子卫星，为我国推动世界量子通讯技术发展奠定了坚实的科学与技术基础。
“墨子号”是我国在过去20年间大力发展量子信息技术的一个注脚。“量子信息技术早已成为欧美主要发达国家的一个重要战略布局。但由于我国在这个领域起步较早，也得到国家注重，所以始终保持一定优势。”
据潘建伟介绍，针对广域量子通讯的发展路线，国际上有3种发展路线：通过光纤实现城域量子通讯网路；通过中继器实现城际量子通讯；通过卫星中转实现远距离量子通讯。
我国在实用化城域光纤量子通讯网路方面早已取得了较多进展。如2007年，实现了光纤量子通讯的安全距离首次突破100公里；2008年，建成首个全通型城域量子通讯网路；2012年，建成46个节点的规模化量子通讯网路，并将“基于量子通讯的宜春全通讯保障系统”投入永久运行。
在基于可信中继的城际量子通讯网路方面，我国已完善光纤总长超2000公里的沪宁干线，目前正式转到商业营运。
而第三种发展路线——在全球范围内覆盖各种海岛、远洋船舶、驻外机构等光纤无法或则未能抵达的地方，“墨子号”的发射弥补了这一空白。
潘建伟说，目前“墨子号”已顺利完成了三大科学实验任务。“我们实现了上海和哈尔滨之间遥远地点的量子分发潘建伟 量子通讯，后又完成了单向量子纠缠分发和远距离量子隐型传态实验。在此基础上，完成了‘墨子号’和沪宁干线的对接，实现了洲际量子保密通讯；并对量子热学与引力的融合进行探求。”
实现“量子估算优越性”
在量子估算领域，因为其本身对环境的干扰十分敏感，潘建伟强调，真要造出一台通用的量子计算机大约还须要20年甚至更长的时间，由于会涉及几百万量子比特的相关操纵。为此，学划分义了3个阶段性的目标：
第一阶段是才能操纵50到60个量子比特，使处理个别特殊估算问题时赶超传统计算机；第二阶段是还能操纵数百个甚至数千个量子比特，建立某种专用的量子计算机和量子模拟机，阐明个别精典计算机难以解决的复杂化学系统的规律；第三阶段是建立可编程的、通用的量子计算机。
我国在这种方面已取得了比较好的进展。
据介绍，潘建伟团队在2017年便建立了针对多光子“玻色采样”任务的光量子估算截击机，这是历史上第一台赶超初期精典计算机的基于单光子的量子模拟机。
2020年年末，我国成功建立了76个光子的量子估算靶机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色采样”任务的快速求解，比当时最快的超级计算机快100万亿倍。并且近来又进一步升级，提升到113个光子，比2020年的结果提高了10个数目级。
据悉，我国在超导量子估算方面也取得较好进展。
2019年初，中科院量子信息与量子科技创新研究院实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备，保真度达到70％，打破了往年10个超导量子比特纠缠的纪录。
2019年末，微软公司建立了53个比特的超导量子估算系统。
而去年5月，我国已成功研发出62个比特可编程超导量子估算靶机“祖冲之号”，估算能力比微软的快3个数目级。目前，已进一步提高到66个超导比特，比微软的快5个数目级。
潘建伟说，我国是德国之外惟一一个在光量子估算及超导量子估算两个系统都实现“量子估算优越性”的国家。
“目前，我们正在向量子估算的第二个目标努力，即用量子模拟机解决重要的科学问题。如研究低温超导的相死机制，促使量子材料本身的发展，预计会在3至5年有较好进展。”
同时，潘建伟希望通过10到15年的努力，发展出才能支撑未来天地一体广域量子通讯的相关应用；借助10年左右的时间，实现操纵数百万量子比特，为通用量子计算机的研究奠定基础。
（记者王硕）