量子技術,或將為認知宇宙帶來新的「眼睛」

量子飲用水、量子秋褲、量子排毒、量子鍋鏟……「量子」二字曾以其在公眾眼中的「高科技標籤」，被動參與了眾多「忽悠」。

很少有人知道，如今科學界，已經逐步進入「第二次量子革命」。

23日舉行的浦江創新論壇「未來（科學）論壇」以「新型量子器件和量子計算的發展」為主題，多位國際上最頂尖的量子器件和量子計算方面的專家熱議量子。

中國科學技術大學的杜江峰院士看來，如果說「第一次量子革命」，是人類對已經存在的現象，進行被動地探究、應用，那么正在逐步轉入的「第二次」，其核心在於科學家在認知基礎上，主動打造形成更多量子器件。

量子的「疊加」與「糾纏」

北京大學的謝心澄院士從最基礎的概念出發，解析「量子」。

根據量子理論，量子是最小的、不可再分割的能量單位。中學物理書上提到的分子、原子、電子，其實都是量子的不同形式。在日常生活的宏觀世界裡，物體的位置、速度等，都可以通過經典力學精確測算。但在微觀量子世界裡，卻有著截然不同的奇妙物理規則，最有代表性的是「疊加」與「糾纏」。

在宏觀世界，任何物體在某一時刻都有確定的狀態和位置。但在微觀世界，量子卻同時處於多種狀態和多個位置的「疊加」。物理學家薛丁格曾用一隻貓比喻量子疊加：箱子裡有一隻貓，在宏觀世界中它要麼是活的，要麼是死的。但在量子世界中，它可以同時處於生和死兩種狀態的疊加。

與此同時，量子的狀態還經不起「看」：如果你去測量，它就會從多個狀態、多個位置，變成一個確定的狀態和位置了。也就是說，如果你打開「薛丁格的箱子」，貓的疊加態就會消失，你會看到一隻活貓或一隻死貓。而「量子人」的「分身術」也會消失，他會出現在北京或上海。

更為奇妙的是，根據量子理論，如果兩個量子之間形成「糾纏態」，那麼無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個也會「瞬間」發生相應變化。愛因斯坦曾把這一現象稱作「鬼魅般的超距作用」。

論壇上，謝教授展示了一張當時頂級物理學家共同研討一個宏觀量子現象時拍下的照片，當時的愛因斯坦還很年輕，「明顯還不能居中而坐，還是站著的」。

從「被動」轉換到「主動」

參會的杜江峰院士，做量子計算研究，到現在已經是第24個年頭了。他說，「前12年，我們買儀器；後12年，我們自己做儀器。」

他指出，第二次量子革命是科學界從被動轉向主動，利用量子特性，開發出量子通信、量子計算和量子精密測量等創新應用。

這些應用的革命性在於，量子通信可以在理論上做到通信的絕對保密，量子計算可以令人類的運算能力實現指數級增長，如傳統計算機需要數萬年才能破解的複雜密碼，量子計算機幾秒鐘內就能破解。傳統測量技術最小只能探測到微米量級，而量子測量可以進一步精細千倍、萬倍達到原子量級。

當測量「工具」精度達到新的極端，人類觀察世界的視野就會變得不同。杜教授舉例，現在醫院核磁共振設備，可以觀察直徑一毫米的人體組織，而量子前沿研究領域，精度縮小到10納米，甚至可以直接觀察一個微小的肝癌細胞。

可以做的遠不止於此。有了更厲害的工具，物理學家對宇宙的測量有了新的方法。目前宇宙中包含約95%的暗物質暗能量，這些都不是物理學現有定義中標準粒子可以解釋的。各國科學家們利用量子研究的突破，嘗試尋找新的標準粒子，推動科學疆界的拓展。他參與的中國科學團隊，也是其中之一。「我們的方法是自己想的，設備自己搭的，就在實驗室裡1-2米大小的桌上，」杜教授透露。

量子技術已成必爭之地

縱觀全球，量子技術研究已成兵家必爭之地。

早在《2013年秋季聲明》中，英國政府即宣布將投資2.7億英鎊設立英國國家量子技術計劃，同時成立量子技術戰略顧問委員會。此舉的目的是在接下來的20年裡對於新的量子工作和投資予以指導，幫助量子行業紮根英國，並帶來盈利、增長和可持續發展。

歐盟委員會計劃啟動量子技術項目，希望藉此促進包括安全的通信網絡和通用量子計算機等在內的多項量子技術的發展，充分利用量子技術的發展，更好地解決健康、能源、環境和安全等領域的重大挑戰。

2011年12月，日本便在學術審議會尖端研究基礎委員會下設「光·量子束研發作業委員會」。該機構立足於光·量子技術的研發現狀與國內外的情況，針對現在的課題以及今後推進的戰略政策方針進行研討。日本還將其運用到新素材的開發以及品種改良、研製新藥品等諸多領域，促進了產業領域的高度化發展，增強了日本的國際競爭力。

近年來，我國也多次創造量子比特糾纏數量的世界紀錄；發射世界首顆量子實驗衛星「墨子號」，實現千裡糾纏、星地傳密、隱形傳態三大科學目標；開通世界首條量子保密通信幹線「京滬幹線」，實現世界首次洲際量子保密通信。