開爾文于19世紀(jì)末提出的黑體輻射，是物理學(xué)世界的兩朵“烏云”之一。為了解決這個(gè)難題，量子力學(xué)之父普朗克提出，光的能量可以分成不連續(xù)的最小基本能量元，從而拉開了量子世界的帷幕。愛因斯坦也因?yàn)樘岢龉怆娦?yīng)的量子解釋，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。海森堡、薛定諤、玻爾等科學(xué)家基本完成了量子力學(xué)的理論框架。第一次量子革命催生了晶體管、激光、核磁共振、全球定位系統(tǒng)等現(xiàn)代技術(shù)，使人類進(jìn)入信息時(shí)代。也是在這一次信息革命中，美國(guó)在全世界奠定了霸主地位。
近些年來，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，人類可以對(duì)微觀體系的量子態(tài)進(jìn)行精確的檢測(cè)與調(diào)控。量子調(diào)控技術(shù)的進(jìn)步有望推動(dòng)第二次量子革命，對(duì)未來社會(huì)產(chǎn)生本質(zhì)的影響。10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記在主持學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)：“要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋。”
量子信息技術(shù)基于量子疊加與量子糾纏等原理，主要包括量子通信、量子計(jì)算、量子精密測(cè)量等，有希望突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，大規(guī)模提升計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度，確保信息通信絕對(duì)安全、數(shù)量級(jí)提升測(cè)量精度。
對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，參與邏輯計(jì)算的比特為“0”和“1”兩個(gè)態(tài)，并通過經(jīng)典算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的線性處理，這種經(jīng)典的系統(tǒng)被稱為二進(jìn)制系統(tǒng)。而量子計(jì)算則采用量子比特，除了“0”“1”之外，二者疊加還可以構(gòu)成更多的態(tài)，成為疊加態(tài)，是“1”和“0”兩種狀態(tài)不可分解的相干疊加。構(gòu)建量子比特的基元可能是光子、原子、電子、微小的超導(dǎo)環(huán)，或者更神奇的“任意子”（如常見的馬拉約那費(fèi)米子）。
量子比特之間的糾纏使得量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)并行計(jì)算。隨著量子比特?cái)?shù)量增加，量子計(jì)算能力可呈指數(shù)級(jí)規(guī)模拓展，在理論上具有驚人的攜帶信息及并行處理的應(yīng)用潛力。2019年9月，谷歌公司研制了一個(gè)包含53個(gè)量子比特的量子芯片，執(zhí)行一個(gè)特定的計(jì)算任務(wù)用了3分20秒，而對(duì)于同樣的任務(wù)，采用目前最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)并且經(jīng)過理論優(yōu)化后，完成這項(xiàng)任務(wù)也需要2.5天。雖然量子計(jì)算機(jī)顯示了其強(qiáng)大的潛力，但是距離我們一般人在日常生活中使用上量子計(jì)算機(jī)，還非常遙遠(yuǎn)?？梢哉f，量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的差異遠(yuǎn)大于經(jīng)典計(jì)算機(jī)與算盤的差異。
關(guān)于量子通信，目前的應(yīng)用方式包括量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。量子密鑰分發(fā)是原理上絕對(duì)安全的通信手段，是目前僅有的得到嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明的通信方式。在量子密鑰傳輸過程中，竊聽者無法做到既偷看又不留下痕跡。而量子精密測(cè)量則能在時(shí)間、磁場(chǎng)、重力、遙感等諸多領(lǐng)域，獲得遠(yuǎn)高于當(dāng)前的測(cè)量精度和靈敏度，在民生和國(guó)防上都具有重要的戰(zhàn)略意義。
雖然錯(cuò)過了第一次量子革命，但我國(guó)科學(xué)家在量子信息技術(shù)各領(lǐng)域已經(jīng)取得了多項(xiàng)突破性進(jìn)展。比如，薛其坤院士團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)；潘建偉院士團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)。伴隨著國(guó)家的不斷投入，我國(guó)未來有希望成為量子信息強(qiáng)國(guó)，為人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。（作者：王永鋒，系北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院研究員）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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