神奇的量子技術

參加聯合國教科文組織“國際量子年”的中國代表團（左五為本文作者）

近年來，“量子技術”已成為前沿科技的熱點和普羅大眾的熱議話題——這其中，既有非業內人士對于“量子”神奇能力超過實際的期盼，也有業內人士客觀科學的認識。本文將從“量子”的緣起出發，力圖較為全面地介紹“量子”的發展簡史、基本概念、科技發展，以及已有和潛在的應用。希望通過本文，大家可以對“量子技術”有一個更加客觀、準確和科學的認識。

發展簡史和基本概念

目前，科學界公認，“量子”一詞最早是1900年由德國物理學家馬克斯·普朗克為解決黑體輻射“紫外災難”理論難題而引入的概念。后來，在科學家的倡議下，每年4月14日被定為“世界量子日”（普朗克常數=4.135667696×10-15eV·s，四舍五入為4.14）。其實，“量子”一詞早在19世紀就已出現，亥姆赫茲、玻爾茲曼等物理學家都曾在統計力學研究中提出過最小能量單元（“量子”）的概念。由于當時的物理學家們普遍相信，任何事物，包括能量，都是“連續的”，即無限可分的，因此，為解決黑體輻射難題而做出的“量子”假設，即，能量不是無限可分，而是只能被分割到一個最小單元——“能量量子”的假設，就成為物理學家基本思想觀念上的一個革命性的創新。

需要說明的是，當時業已功成名就的普朗克提出“量子”假設僅是解決黑體輻射難題的權宜之計（至少他本人這么認為——應該說，他本人始終是一個堅定的經典而非量子物理學家）。但當時和之后的一批青年物理學家卻將“量子”概念推廣到更廣泛的研究，并成功解釋了光電效應（愛因斯坦）、氫原子光譜（玻爾）、弗蘭克-赫茲實驗、斯特恩-蓋拉赫實驗等一系列物理現象。1925年，海森堡方程的提出標志著區別于經典物理學的新力學——量子力學的誕生（100年后的2025年被聯合國教科文組織定為“國際量子年”，有趣的是，“量子力學”這個詞卻是在1924年由玻恩首先提出的）。

此后，物理學家們迅速建立起了較為完整的量子力學理論體系，并以此為基礎，進一步發展出量子電動力學、量子場論、量子電子學、量子光學等一系列以“量子”為基礎的新學科。隨著20世紀前三十年“量子”科學的迅猛發展，在其后六十年中，催生了一大批“量子”技術，使得20世紀成為“量子”科學發展、技術突破和實際應用的世紀。

科學發展和技術進步

近八十年來，“量子”已經帶來了覆蓋信息（激光、半導體、超導）、能源（量子與相對論結合的產物——核能）、生物醫學（核磁共振成像）等廣泛領域的技術革命，給人類生活方式帶來了重大改變。

其中，還有一個非常重要但常被忽視的“量子頻標技術”（常被稱為“原子鐘”技術，其實二者有一定差異）——以1967年以銫原子基態能級來確定的“秒定義”為標志，人類在頻率、時間等最基本物理量的測量已經進入“量子”時代。事實上，如果沒有“量子頻標”技術，今天我們甚至都無法聽到“北京時間”的播報，更無法實現以此為核心基礎所發展的全球衛星導航定位。

更進一步，2018年，在國際計量大會上，全世界各主要國家計量屆的代表投票通過決議——從2019年5月20日起，國際單位制的七個基本物理量（因此也包括所有物理量）的計量都將溯源到七個基本物理常數，從而使所有物理量的測量都直接可以頻率測量為基礎，而頻率測量技術就是人類迄今為止最精確的測量技術——量子頻標技術。也就是說，人類的計量已經全面進入了“量子化”時代。

可見，今天的人類，在信息、能源、材料，乃至生命健康等方面，實際上都已經離不開“量子”了。

兩次“量子革命”和量子技術應用

事實上，始于20世紀50年代的激光、原子鐘、半導體、核磁共振等最早期的量子技術，也被稱為“量子電子學”技術，屬于“第一次量子革命”的技術。隨著激光技術的蓬勃發展，各類高相干性、高功率激光相繼出現，催生了非線性光學和量子光學的誕生，使人類發現了光子糾纏、光場高階相干、非經典光場等一系列獨特的量子現象。伴隨而來的，是多光子之間，光子與微觀粒子之間，實物粒子之間量子糾纏的實現。其實，作為量子相干性之一的量子糾纏早在20世紀30年代就已被物理學家熱烈地討論過，但是受當時技術所限，始終難以在實驗上實現。技術進步帶來的量子糾纏的實現，使得人們有望進一步去探究基于多粒子量子糾纏的量子計算，理論上講，其在存儲和計算速度上可以達到經典的存儲、計算的2倍（N是糾纏粒子的數目）。不難想象，當粒子數足夠大時，這種以指數方式的能力增長將是何等的驚人！

另一方面，激光技術的發展也為人類去探索單光子/單粒子狀態，以及非經典光場態成為可能。同時，在理想單光子（單粒子）狀態或者非經典/近經典光場態（如，壓縮態光場或相干態/混合相干態）下，理論上絕對安全的保密通信將成為可能。

以量子糾纏、單量子態等為基礎的量子技術，主要包括量子通信、量子計算等，被稱為“第二次量子革命”的技術。

量子通信主要是指量子密鑰分發。嚴格地講，它并非通信，而是利用量子技術實現“理論上絕對安全”的密鑰生成和分發，從而保證下一步用密鑰進行加密通信時的“絕對安全”。另外，量子通信還包括量子安全直接通信技術，以及量子態隱形傳輸技術。

量子計算包括基于多粒子量子糾纏的量子計算機的實現，又被稱為“通用量子計算”；以及基于非量子糾纏的量子效應或原理的量子模擬系統的實現，又被稱為“專用量子計算”。目前，這二者常被混淆，嚴格講，更多的量子計算專業人士在做的是量子模擬，而非量子計算，但目前均稱為量子計算。

需要指出的是，量子通信和量子計算的核心技術不僅有“第二次量子革命”的技術，而且也有“第一次量子革命”的技術。另外，基于量子糾纏態或非經典態（量子熱場態）的量子成像技術和量子計量技術也在發展中。目前，“第二次量子革命”的技術仍在不斷發展中，真正能達成其追求目標的應用尚需時日；“第一次量子革命”的技術實際上已被廣泛應用，例如，激光、半導體及其所支撐的信息、醫療、能源等領域的一系列技術，以及原子鐘和全球衛星導航定位技術。

“第一次量子革命”還催生了一系列被稱為“量子傳感”和“量子感知”的技術，包括量子磁傳感、量子重力儀、量子陀螺儀等等。例如，量子磁傳感主要是利用量子技術實現極微弱磁信號的物理傳感，其發展已有七十年的歷史，已有和潛在的應用非常廣泛，涉及進行生物醫療、礦產勘探、地質勘探、考古勘探、空間探索、基礎物理、國防安全等多方面。量子感知是以量子傳感為物理基礎和必要條件（硬），結合包括AI在內的信息處理技術（軟），最終實現對待測目標及環境的感知。目前，該領域發展方興未艾，未來可期。

目前，從量子技術的應用上講，我國在量子磁探測及其在國防與生物醫學方面的應用、量子時頻傳遞及其在衛星導航的備份和延拓方面的應用，以及光量子陀螺儀及其在自主導航方面的應用等均處于與世界最高水平持平或部分領先的水平；從基礎研究上講，我國在星地量子通信、基于光子糾纏的量子計算等方面甚至處于世界最高水平。北京大學現有若干開展量子基礎研究和應用研究的團隊，其中，基礎研究水平處于國內第一梯隊，面向國家重大戰略需求的量子技術團隊在量子磁探測、量子時頻傳遞等方面均達到國際領先或先進水平，成果已兩次入選“國家先進科技十大進展”和國家“十二五”科技創新成就展。

（作者為北京大學博雅特聘教授、國家計劃量子技術專家組首席科學家）