編者按：10月16日，中共中央總書記習近平在中央政治局第二十四次集體學習時強調，深刻認識推進量子科技發展重大意義，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局。會後，量子科技一詞迅速成為熱詞，掀起一波學習浪潮。然而，什麼是量子科技？量子科技在當前有哪些應用？中國在量子科技領域有著怎樣的國際地位？為了給廣大讀者答疑釋惑，新京報邀請中國科學技術大學的副研究員、科普專家袁嵐峰為大家逐一科普。
中國科學技術大學副研究員、科普專家袁嵐峰。
文/中國科學技術大學副研究員、科普專家袁嵐峰
近年來，你肯定看到了越來越多與「量子」有關的科技新聞。2016年8月16日，我國發射世界上第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」，更是全球轟動。但你如果想了解量子科學，在網絡上看到的又大多是各種玄而又玄、莫名其妙的說法，什麼「沒有人懂得量子力學」，「超時空的瞬間作用」，「上帝不擲骰子」，越看越糊塗。你不禁會嘀咕：也許這麼高深的東西，本來就超出了我的理解範圍？
實際上，量子科技並非無法言傳，它是完全可以理解的。
一、「量子」是什麼？
量子科學之所以顯得神秘，首先這個名字就是一大原因。
看到「量子」這個詞，許多人在「不明覺厲」之餘，第一反應就是把它理解成某種粒子。但是只要是上過中學的人，都知道我們日常見到的物質是由原子組成的，原子又是由原子核與電子組成的，原子核是由質子和中子組成的。那麼量子究竟是個什麼鬼？難道是比原子、電子更小的粒子嗎？
其實不是。量子跟原子、電子根本不能比較大小，因為它的本意是一個數學概念。正如「5」是一個數字，「3個蘋果」是一個實物，你問「5」和「3個蘋果」哪個大，這讓人怎麼回答？正確的回答只能是：它們不是同一範疇的概念，無法比較。
量子這個數學概念的意思究竟是什麼呢？就是「離散變化的最小單元」。
什麼叫「離散變化」？我們統計人數時，可以有一個人、兩個人，但不可能有半個人、1/3個人。我們上臺階時，只能上一個臺階、兩個臺階，而不能上半個臺階、1/3 個臺階。這些就是「離散變化」。對於統計人數來說，一個人就是一個量子。對於上臺階來說，一個臺階就是一個量子。如果某個東西只能離散變化，我們就說它是「量子化」的。
二、什麼是「量子力學」？
量子力學和相對論是二十世紀的兩大科學革命，對人類的世界觀產生了強烈的震撼。但論公眾中的知名度，量子力學似乎比相對論低得多。原因可能在於，相對論主要是由愛因斯坦一個人創立的，孤膽英雄的形象易於記憶和傳播，而量子力學的主要貢獻者有好幾位，沒有一個獨一無二的代言人。愛因斯坦和相對論稱得上婦孺皆知，而聽說過量子力學中的「薛丁格的貓」、「海森堡測不準原理」這些詞的人，已經算是科學發燒友了。
描述微觀世界必須用量子力學，宏觀物質的性質又是由其微觀結構決定的。因此，不僅研究原子、分子、雷射這些微觀對象時必須用量子力學，而且研究宏觀物質的導電性、導熱性、硬度、晶體結構、相變等性質時也必須用量子力學。
許多最基本的問題，是量子力學出現後才能回答的。例如：
為什麼原子能保持穩定，例如氫原子中的電子不落到原子核上？（因為氫原子中電子的能量是量子化的，最低只能取-13.6 eV，如果落到原子核上就變成負無窮，低於這個值了。）
現代社會碩果纍纍的技術成就，幾乎全都與量子力學有關。你打開一個電器，導電性是由量子力學解釋的，電源、晶片、存儲器、顯示器的工作原理是基於量子力學的。走進一個房間，鋼鐵、水泥、玻璃、塑料、纖維、橡膠的性質是由量子力學決定的。登上飛機、輪船、汽車，燃料的燃燒過程是由量子力學決定的。研製新的化學工藝、新材料、新藥，都離不開量子力學。
三、量子信息——量子力學與信息科學的交叉學科
既然量子力學出現已經超過了一個世紀，為什麼最近在媒體上變得如此火熱？回答是：量子力學與信息科學的交叉學科——量子信息。
而量子信息跟經典信息相比有很大的優勢。
首先是一個顯而易見的優勢。前面比喻過：經典比特是「開關」，只有開和關兩個狀態，而量子比特是「旋鈕」，有無窮多個狀態。旋鈕的信息量顯然比開關大得多。
還有一個稍微複雜一點的優勢。一個包含n個經典比特的體系，總共有2個狀態。想知道一個函數在這個n比特體系上的效果，需要對這2個狀態都計算一遍，總共要2次操作。當n很大的時候，2是一個巨大的數字。指數增長是一種極快的增長，比n的任何多項式都快。比如說，2比n的10000次方增長得還要快。
指數增長的威力。如圖所示，指數函數雖然在最初落後，但很快勢不可擋地超越了線性函數和三次方函數，而且越到後面把它們甩得越遠。
但在歡呼之前，我們需要認清，這個巨大的優勢並不容易利用。因為所有2個結果是疊加在一起的，讀取出來需要做測量，而一做測量就只剩下一個結果，其餘的結果都被破壞了。所以我們只能把這個優勢稱為潛在的巨大優勢，真要利用它，需要非常巧妙的算法。
這樣的算法只對少數的問題能夠設計出來，後面會舉一些例子，如「因數分解」。有些科普文章把量子計算機描寫成無所不能，快成神了，這是重大的誤解。量子計算機的強大，是與問題相關的，只針對特定的問題。
四、量子信息的應用
量子信息的研究內容包括量子通信和量子計算。從這兩個名字我們立刻就可以發現，量子信息還沒有進入生活，因為大家都還在用經典的電腦和手機呢。具體地說，量子通信已經有了一些實際應用，量子衛星就是做相關實驗的。而量子計算的發展程度要低得多，還處於演示階段，尚未造出有實用價值的量子計算機。
量子信息究竟能用來幹什麼呢？下面我們來介紹量子信息的四項應用。在量子計算方面，有量子因數分解（破解最常用的密碼體系）和量子搜索（用途最廣泛的量子算法）。在量子通信方面，有量子隱形傳態（「傳送術」，最富有科幻色彩的應用）和量子密碼術。在所有這些應用中，量子密碼術是目前唯一接近實用的，但這一個就非常重要，足以表現量子信息的價值了。
順便提一下，有些人迷惑光量子計算機跟量子計算機是什麼關係，甚至還有人說光量子計算機不是量子計算機。實際上，量子計算機總需要用某種物理體系來實現，好比電子計算機可以用電子管實現，也可以用電晶體實現，甚至可以像《三體》中設想的那樣用幾千萬人來實現。光量子計算機就是用光子作為量子比特的量子計算機。除了光子之外，量子計算機常用的物理體系還包括光學共振腔、離子阱、核磁共振等等。
五、中國在量子科技領域的國際地位
量子信息領域的國際競爭，大圖景如下。在量子通信方面，中國領先，歐洲和美國也投入了很多努力，在跟隨中國發展。在量子計算方面，歐美領先，中國也不斷做出重要的成果，最近接近了並駕齊驅。如果這兩個領域相比較，整體而言量子計算的重要性高於量子通信，但離實用也更遠。
對於中國來說，量子密碼術簡直是上天送來的禮物，應該以最高的優先級發展。如《孫子兵法》所言：「先為不可勝，以待敵之可勝。不可勝在己，可勝在敵。」好比在冷戰時期，美蘇追求的是全球霸權，而中國追求的首先是保住自己，所以美蘇的上萬件核武器都不能達到目標，而中國的有限核威懾就足以達到目標。
墨子號量子衛星的發射和量子通信京滬幹線的建設，標誌著中國的量子通信接近了產業化。自從人類進入近代社會以來，這是第一次由中國創造一個新的產業。我們在許多產業做到了世界第一，例如高鐵、電信、超算，固然都很了不起，但這些產業都是別人開創的，我們是在別人的框架裡後來居上。只有量子通信，在國際上是沒有先例的。這個中國首創的產業是一座裡程碑，歷史意義十分重大。
同時，我們要認識到，創新不只是科技人員的事，全社會民眾都應該參與進來，建立推崇創新、奮發有為的文化。
整理/新京報編輯 陳莉
校對 王心