【摘要】量子科技是當前世界科技最前沿的領(lǐng)域之一，引發(fā)了一系列劃時代的科學發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，不斷地改變著世界面貌。量子理論、量子力學的發(fā)展及其廣泛應用推動了量子技術(shù)的創(chuàng)新突破，催生了量子加密、量子通信、量子計算、量子測量等領(lǐng)域的黑科技。20世紀90年代以來，美國、歐盟、日本等相繼開始了量子通信技術(shù)研發(fā)與應用。中國在量子科技領(lǐng)域后來居上，已經(jīng)成為量子科技發(fā)展的領(lǐng)跑者。量子通信作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，將有望走向大規(guī)模應用，為信息化社會的發(fā)展提供基礎(chǔ)的安全服務和可靠的安全保障。

【關(guān)鍵詞】量子科學 量子技術(shù) 量子理論 量子通信

【中圖分類號】O413 【文獻標識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.07.011

李大光，國防大學聯(lián)合勤務學院教授、博導，國防大學百望智庫首席專家。研究方向為軍事戰(zhàn)略、國防戰(zhàn)略、國家安全和國際關(guān)系。主要著作有《國家安全》、《走近還是遠離戰(zhàn)爭》、《量子通信——世界信息科技的前沿陣地》（合著）等。

隨著量子科學在量子計算、量子通信、量子網(wǎng)絡、量子仿真等領(lǐng)域不斷實現(xiàn)新突破，量子技術(shù)革命受到越來越多的關(guān)注。近年來，量子技術(shù)方興未艾，量子技術(shù)催生的技術(shù)變革和裝備發(fā)展不斷改變世界面貌，逐步成為經(jīng)濟社會跨越發(fā)展的基石和動力。

量子、量子論與量子力學

大千世界由物質(zhì)組成，而物質(zhì)由基本粒子構(gòu)成，電子、原子、質(zhì)子和中子等粒子是構(gòu)成宏觀世界的最基本粒子。在量子科學的視域下，量子力學、量子通信和量子糾纏等概念和研究領(lǐng)域都與“量子”相互關(guān)聯(lián)。那么，“量子”是一個什么概念？它與構(gòu)成物質(zhì)的其他基本粒子是什么關(guān)系？

量子的概念和范疇。量子是現(xiàn)代物理的重要概念。19世紀后期，一些物理學家聚焦于黑體輻射問題的研究，發(fā)現(xiàn)很多物理現(xiàn)象無法用經(jīng)典理論解釋，如微觀粒子的運動不能用傳統(tǒng)宏觀物體的運動規(guī)律解釋。為了解釋傳統(tǒng)物理無法解釋的物理現(xiàn)象，量子概念應運而生。

量子是一個物理概念，并不是具體的實在粒子。19世紀后期，馬克斯·普朗克（Max Planck）最先發(fā)現(xiàn)黑體輻射的不連續(xù)性不能通過經(jīng)典力學來解釋，并在黑體輻射研究中引入能量量子，于1900年12月14日在德國物理學會的例會上作了《論正常光譜中的能量分布》的報告。他在報告中提出，輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地，而是一份一份地進行的，只能取某個最小數(shù)值的整數(shù)倍，并將輻射頻率為ν的能量的最小數(shù)值E=hν稱為量子?？梢?，量子是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。普朗克提出的理論成功解決了黑體輻射的問題，標志著一個新的物理學科——量子力學的誕生。

從數(shù)理學的角度看，量子也是一個數(shù)學概念，是能量、動量等物理量中最小的、不可分割的基本單位，是“相當數(shù)量的某物質(zhì)”。量子這個數(shù)學概念的意思，就是“離散變化的最小單元”。什么是“離散變化”？我們統(tǒng)計人數(shù)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。對于統(tǒng)計人數(shù)來說，一個人就是一個量子；對于上臺階來說，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。

與“離散變化”相對的叫做“連續(xù)變化”。例如你在一段平路上，你可以走到1米的位置、1.1米的位置、1.11米的位置，即可以走到中間任何一個距離，這就是“連續(xù)變化”。顯然，離散變化和連續(xù)變化在日常生活中廣泛存在，這兩個概念本身都很容易理解。有的人可能會把量子和分子、原子和電子之類的物質(zhì)混在一起，認為量子是比電子更小的物質(zhì)，其實這是不正確的。

量子和構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子是不同范疇的概念。從物質(zhì)的構(gòu)成來說，分子、原子、夸克等是構(gòu)成物質(zhì)的粒子；而從能量傳播來說，量子是能量傳播過程中能量發(fā)射和吸收的最小單元，它不是連續(xù)的，而是一份一份的，在實驗中量子可以表現(xiàn)為原子、光子、分子等多種形態(tài)。這種“量子化”物理量的數(shù)值是離散的，而不是連續(xù)地任意取值。量子跟原子、電子無法進行大小比較，因為量子的本意是一個數(shù)學概念。正如“5”是一個數(shù)字，“3個蘋果”是具體的實物，你問“5”和“3個蘋果”哪個大，如何回答？正確的回答只能是：它們不是同一范疇的概念，兩者沒有可比較性。

通過上述分析可知，物理學中的原子、電子、質(zhì)子、中子等物質(zhì)本身就是粒子，而量子卻對應著不同的粒子。例如，光是由許多光子組成的，所以光子其實就是光的量子；陰極射線是由一系列電子組成的，因此電子就是陰極射線的量子。在物理學中，量子是指一個最小的不可分割的基本單位，是能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。

量子論的創(chuàng)立和發(fā)展?，F(xiàn)代物理學由兩大理論構(gòu)成，即相對論和量子論。量子論是研究基本粒子物理學范疇的遵循法則，相對論是研究宏觀宇宙理論物理學范疇的遵循法則。作為現(xiàn)代物理學的兩大基石之一，量子論為人們研究自然界微觀物質(zhì)世界提供了新的觀察、思考和表述方法。尤其是量子論的開放性和不確定性，給人類社會的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造以啟迪，給整個物理學提供了新的概念。因此，量子論的誕生被視為近代物理學的新起點。

德國物理學家普朗克為創(chuàng)立量子論作出了突出貢獻。量子論揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理學、固體物理學、核物理學、粒子物理學以及現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)，較好地詮釋了原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學元素的性質(zhì)、光的吸收與輻射、粒子的無限可分和信息攜帶等問題。伴隨著黑體輻射能量密度隨頻率分布規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，量子論得以創(chuàng)立。1900年10月，普朗克為了克服經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困境，引入了“能量子”概念，為量子理論奠定了基石。普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他從理論上導出的黑體輻射公式表明，物體吸收或發(fā)射電磁輻射，只能以量子的方式進行，每個量子的能量為E=hν，稱為作用量子，即對于頻率ν的輻射能量，物體只能以hν為能量單位吸收或發(fā)射，這里的h為普朗克常數(shù)。能量子假說的提出具有劃時代意義，標志了物理學的新紀元。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實驗不可缺少的基本理論。

其他物理學家也為量子論的創(chuàng)立作出了重要貢獻。愛因斯坦是第一個意識到量子概念具有普遍意義的科學家。針對光電效應實驗與經(jīng)典理論的矛盾，愛因斯坦提出了光量子假說，在固體比熱問題上成功地運用了能量子概念，并用光量子理論解釋了光電效應中出現(xiàn)的新現(xiàn)象，從而為量子理論的發(fā)展打開了局面，同時進一步證明了普朗克提出的能量不連續(xù)概念。此后，玻爾、德布羅意、薛定諤和海森堡等許多科學家也對量子論的發(fā)展作出重要貢獻。1913年，玻爾運用量子化概念提出“玻爾的原子理論”，對氫光譜作出了有效的解釋，使量子論取得了初步驗證。1923年，法國物理學家德布羅意提出了物質(zhì)波假說，之后薛定諤沿著物質(zhì)波概念確立了電子波動方程。與此同時，海森堡創(chuàng)立了解決量子波動理論的矩陣方法。1925年9月，玻恩與物理學家、數(shù)學家約丹合作，將海森堡的矩陣方法發(fā)展成系統(tǒng)的矩陣力學理論，從而把量子論發(fā)展推向了一個新的高度。

量子理論跨越了牛頓力學中的死角，在解釋事物的宏觀行為時，只有量子理論能處理原子和分子現(xiàn)象中的細節(jié)。歷經(jīng)百年，盡管否定量子論或?qū)ζ浯嬉傻目茖W家也不少，相關(guān)爭論也一直沒有消除，但這一理論正逐漸為多數(shù)物理學家所認可，同時其在實踐中獲得的成就令整個物理界為之稱奇。

量子力學的發(fā)展和應用。量子力學（Quantum Mechanics）為物理學理論，是研究物質(zhì)世界微觀粒子運動規(guī)律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)。它與相對論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學的理論基礎(chǔ)。量子力學不僅是現(xiàn)代物理學的基礎(chǔ)理論之一，而且在化學等學科和許多近代技術(shù)中也得到了廣泛應用。

量子物理學是由許多現(xiàn)代物理學家共同創(chuàng)立的新物理學科。1926年，量子力學的奠基人之一薛定諤研究發(fā)現(xiàn)，從數(shù)學的角度上看，波動力學和矩陣力學是完全等價的，并將其統(tǒng)稱為量子力學。薛定諤發(fā)明的波動方程由于比海森堡的矩陣更易理解，因而成為量子力學的基本方程。1935年，薛定諤意識到了量子力學中存在不確定性的問題，因此假設(shè)了系統(tǒng)中處于兩種態(tài)的疊加之中的貓，即由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)，這就是著名的“薛定諤貓”思維實驗。1928年，狄拉克將相對論運用于量子力學，經(jīng)由海森堡、泡利等人的發(fā)展，形成了量子電動力學，致力于研究電磁場與帶電粒子的相互作用。

區(qū)別于經(jīng)典力學、相對論（宏觀低速、高速世界），量子力學從根本上改變了人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相互作用的理解，明確解釋了原子世界“微觀宇宙”的奇異屬性：在這個“微觀宇宙”中，亞原子粒子被“類粒子力”聚在一起，原子由原子核和圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子組成，原子核又由中子和質(zhì)子組成，大約100種不同類型的原子或元素構(gòu)成了我們已知的所有物質(zhì)世界。

當代物理學中，集成芯片從根源來說是量子理論發(fā)展之后的技術(shù)產(chǎn)物。集成電路的芯片將電路元器件，如電阻、二極管等在半導體芯片上集成，這一半導體技術(shù)以半導體理論為基礎(chǔ)，而半導體理論以量子理論為基礎(chǔ)。在半導體的微型化已接近極限的情況下，如果繼續(xù)縮小，微電子技術(shù)理論就會顯得無能為力，必須依靠量子力學中的量子結(jié)構(gòu)理論來解決問題。美國威斯康星大學材料科學家馬克斯·拉加利等人根據(jù)量子力學理論，已研發(fā)出可容納單個電子的被稱為“量子點”的微小結(jié)構(gòu)，這種量子點非常微小，一個針尖上可容納幾十億個量子點。據(jù)此，研究人員可用量子點制造由單個電子運動來控制開和關(guān)狀態(tài)的晶體管。可以預見，量子力學理論將對電子工業(yè)產(chǎn)生重大影響，成為物理學一個尚未開發(fā)而又具有廣闊前景的新領(lǐng)域。

量子技術(shù)催生量子黑科技

創(chuàng)立百余年來，量子力學催生了第一次量子革命，改變了世界面貌。原子彈、芯片、激光等重大發(fā)明本源上都來自量子力學。量子技術(shù)作為基于量子力學發(fā)展起來的前沿技術(shù)，成為當今尖端科技中的一大熱門，正在引領(lǐng)“第二次量子革命”，產(chǎn)生了一系列顛覆傳統(tǒng)技術(shù)的黑科技。

量子加密。在量子黑科技中，量子加密號稱“地表最強加密手段”。普通的加密手段通過數(shù)學算法進行加密，算法越復雜越難破解，但隨著超級計算機的出現(xiàn)，這種加密手段的可靠性逐漸降低，而量子加密利用電子的不可克隆性以保證通信的安全性。因為竊聽信息需要先復制信息，而不可克隆性保證了量子信息本身（或者由它生成的量子密碼）不會被復制，因而斷絕了一切竊聽的可能性。

量子加密采用的原理是根據(jù)“海森堡測不準原理”和“單量子不可復制原理”建立的量子密碼概念。“海森堡測不準原理”是量子力學的定理，指在同一時刻以相同精度測定量子的位置與動量是不可能的，只能精確測定兩者之一。“單量子不可復制原理”是“海森堡測不準原理”推論得出的定理，指在不確定量子狀態(tài)的情況下復制單個量子是不可能實現(xiàn)的，因為復制單個量子需要先做測量，而測量必然改變狀態(tài)、出現(xiàn)擾動，因而量子加密是絕對安全、不可能被破譯的。目前，量子加密技術(shù)在密碼學上的應用可分為兩類：一是利用量子計算機對傳統(tǒng)密碼體制進行分析，另一類是利用單光子的測不準原理在光纖一級實現(xiàn)密鑰信息加密?？偟膩砜?，量子加密比普通電子郵件或無線電方式更為優(yōu)越，因為這種方式從理論上不能夠被破壞或攔截。

量子通信。量子通信是近三十年發(fā)展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信由于其高效安全的信息傳輸已受到人們的廣泛關(guān)注，并因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。近年來，這門學科已逐步從理論走向?qū)嶒灒⑾驅(qū)嵱没较虬l(fā)展。

量子通信主要涉及量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等領(lǐng)域，指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信方式。量子糾纏是微觀世界一種特有的物理現(xiàn)象，即兩個粒子之間不論相距多遠，不受空間影響、不需任何連接，卻好像有一根無形的線牽著，只要一個粒子狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個粒子狀態(tài)發(fā)生相應變化。量子通信正是利用量子糾纏效應這種神奇的“心靈感應”現(xiàn)象進行信息傳遞的，其雖僅是量子力學最簡單的一個應用，但卻解決了很多傳統(tǒng)密碼學長期未能解決的根本性安全問題。

量子通信的全稱是“量子加密通信”，其實現(xiàn)是基于量子態(tài)傳輸。量子通信依舊由電磁波攜帶信息，量子技術(shù)只是把攜帶信息的電磁波保護起來了。為便于傳輸，現(xiàn)有的量子通信實驗一般以光子為量子態(tài)載體，其表現(xiàn)形式即為光子態(tài)傳輸。

量子計算。量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式。較之于傳統(tǒng)的通用計算機，量子計算機的理論模型是用量子力學規(guī)律重新詮釋的通用圖靈機。從可計算的問題來看，量子計算機只能解決傳統(tǒng)計算機所能解決的問題；但從計算的效率上，由于量子力學疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統(tǒng)的通用計算機。

量子計算的基本屬性是疊加（superposition）、糾纏（entanglement）和干涉（interference）。疊加是量子系統(tǒng)同時處于多種狀態(tài)的能力，它使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導致量子信息處理在效率上相比于經(jīng)典信息處理方式具有更大潛力；糾纏是量子的一個屬性，它通過將對象永久糾纏在一起從而實現(xiàn)對象的連接；干涉可用于控制量子態(tài)，并放大引起正確答案的信號，同時刪除引起錯誤答案的信號。

量子計算使計算機的計算能力實現(xiàn)跨越發(fā)展，一臺量子計算機的運算能力頂?shù)蒙犀F(xiàn)在世界上所有傳統(tǒng)計算機的的運算能力之和。量子計算機一旦取得突破，所有的加密算法都會瞬間被暴力破解，全部信息將失去安全屏障，完全暴露在量子計算機的視野內(nèi)，因此，量子計算機也是目前建設(shè)科技強國重點攻關(guān)的技術(shù)難題。2015年5月，IBM在量子運算上取得兩項關(guān)鍵性突破，開發(fā)出四量子位原型電路，奠定了未來10年量子計算機的基礎(chǔ)。2016年8月，美國馬里蘭大學學院市分校發(fā)明出世界上第一臺由5個量子比特組成的可編程量子計算機。對于實用化的量子計算機的研發(fā)，目前認為需要經(jīng)過實現(xiàn)量子優(yōu)越性、實用化的量子模擬機和容錯量子計算機三個發(fā)展階段。2020年12月4日，中國科學技術(shù)大學團隊構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務的快速求解，這一成果也使我國成功實現(xiàn)了量子計算研究的“量子計算優(yōu)越性”。

量子測量。量子測量是量子力學最基本和核心的問題之一。經(jīng)典物理學中的測量過程可以理解為對被測者客觀物理實在的忠實且不加改變的提取。然而在量子體系中，根據(jù)馮·諾依曼測量假定，量子測量會導致量子態(tài)坍縮到待測物理量的本征態(tài)，即量子測量對被測系統(tǒng)有反作用?？梢?，量子測量不同于一般經(jīng)典力學中的測量，會對被測量子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如改變被測量子系統(tǒng)的狀態(tài)，則處于相同狀態(tài)的量子系統(tǒng)被測量后將得到完全不同的結(jié)果，但這些結(jié)果符合一定的概率分布。

量子測量基于微觀粒子量子態(tài)精密測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測試精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢。在量子測量方面，目前已經(jīng)研發(fā)和攻克了原子的激光冷卻與俘獲技術(shù)、原子噴泉技術(shù)、物質(zhì)波的干涉操控技術(shù)、原子能態(tài)及相關(guān)量子信息的探測提取技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。通過量子測量，可以了解量子的物理狀態(tài)和性質(zhì)，從而更好地對其進行應用。以量子通信中的量子密鑰分發(fā)為例，這種量子通信方式利用量子的不可復制性以及測量的隨機性生成量子密碼，給傳統(tǒng)的數(shù)字通信加密。由于量子測量結(jié)果的隨機性，需要采用經(jīng)典通信的方式進行比對，選出一致結(jié)果作為最終的量子密碼。量子密碼之所以保密性強，也是因為量子測量的結(jié)果是完全隨機的，因而生成的密碼也是完全隨機性的。

當前，以量子慣性導航、量子目標識別、量子重力測量、量子時間基準和量子磁場測量等為代表的新型量子測量領(lǐng)域，在國防建設(shè)和軍事應用領(lǐng)域極具戰(zhàn)略價值，受到世界各國政府和研究機構(gòu)的重視。其在解決工程化和實用化等問題后，有望在關(guān)系國家安全和國計民生的重點領(lǐng)域率先進入應用領(lǐng)域。

量子技術(shù)在當今世界的發(fā)展

由于量子技術(shù)對未來科技發(fā)展具有重大影響和戰(zhàn)略價值，各技術(shù)強國在量子技術(shù)領(lǐng)域的競爭日益激烈。近年來，各國爭相將量子技術(shù)納入國家發(fā)展戰(zhàn)略，紛紛制定量子技術(shù)發(fā)展計劃，推進本國的量子技術(shù)發(fā)展。中國的量子技術(shù)發(fā)展后來居上，在量子應用領(lǐng)域等多個方面已經(jīng)達到世界先進水平。

量子技術(shù)在國外的發(fā)展。20世紀90年代以來，美國、歐盟、日本等相繼開始了量子技術(shù)研發(fā)與應用，并取得了豐碩成果。其中，美國領(lǐng)跑全球，引領(lǐng)了世界量子技術(shù)的發(fā)展。其他國家和集團也積極發(fā)展本國的量子技術(shù)，并取得了顯著成效。

美國一直以來高度重視量子信息技術(shù)的相關(guān)研究，將量子信息技術(shù)作為引領(lǐng)未來軍事革命的顛覆性、戰(zhàn)略性技術(shù)。2018年9月，美國白宮科技政策辦公室國家科學技術(shù)委員會發(fā)布的《量子信息科學國家戰(zhàn)略概述》指出：量子測量有望為軍事任務提供先進的傳感器，發(fā)展新的測量科學和量子基準，改善導航和定時技術(shù)；同時，由美國能源部和國家科學基金會牽頭，計劃自2019年起的5年內(nèi)最高投入13億美元，建成10個研發(fā)和人才培養(yǎng)基地。此外，美國國防部和中央情報局還將為量子技術(shù)研發(fā)提供支援。

與此同時，其他一些國家和集團也積極推進各自的量子技術(shù)發(fā)展。其中，歐盟通過了《量子宣言》，于2018年啟動了一項耗資10億歐元的“量子技術(shù)旗艦計劃”，加大量子通信、量子測量、模擬、傳感和計算的研究和應用力度，從而對量子科學研究、產(chǎn)業(yè)推廣、技術(shù)轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)等方面給予重要支撐；英國在2015年發(fā)布的《英國量子技術(shù)路線圖》中對原子鐘、量子傳感器、量子慣性導航和量子增強成像等技術(shù)領(lǐng)域可能的商業(yè)化實踐和發(fā)展路線圖進行了分析和研究，并在《量子技術(shù)國家戰(zhàn)略》中提出了量子領(lǐng)域基礎(chǔ)研究、技術(shù)應用、人才培養(yǎng)和國際合作方面的發(fā)展戰(zhàn)略；德國利用量子糾纏效應打造量子互聯(lián)網(wǎng)，目前已經(jīng)實現(xiàn)了第一個量子網(wǎng)絡原型，在節(jié)點之間完成了量子信息的可逆交換，并可在兩個節(jié)點之間產(chǎn)生遠程糾纏；日本將量子技術(shù)置于和人工智能、生物科技同等重要的位置，于2019年完成了“量子技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略”的制定；此外，加拿大、澳大利亞、巴西、印度等國在量子通信領(lǐng)域也相繼加大投入，加快推進本國量子通信技術(shù)的發(fā)展。

中國量子技術(shù)處于全球領(lǐng)先地位。在2018年的新年賀詞中，習近平主席在總結(jié)回顧過去一年我國在科技創(chuàng)新領(lǐng)域的重大成就時，特別提到“量子計算機研制成功”。2017年，世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機在我國誕生，標志著我國在基于光子的量子計算機研究方面取得突破性進展，為最終實現(xiàn)超越經(jīng)典計算能力的量子計算奠定了堅實基礎(chǔ)。

在量子技術(shù)領(lǐng)域，中國量子技術(shù)發(fā)展取得了令全球矚目的成就，后來居上。在量子計算領(lǐng)域，中國雖然起步相對較晚，但發(fā)展速度飛快，在光子、超導、離子以及拓撲量子比特等方面均有建樹，目前保持著18個量子比特糾纏的世界紀錄；在量子傳感方面，中國在量子雷達、遙感成像、精密測量和導航方面進展迅速，研究水平居世界前列；在量子保密通信領(lǐng)域，“墨子號”量子通信衛(wèi)星升空，“量子京滬干線”等超大規(guī)模量子網(wǎng)絡投入應用，我國科研團隊創(chuàng)造了一個又一個記錄，研究水平領(lǐng)先世界。這是中華民族的光榮和驕傲，更是中華民族在科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的“中國夢”。

2016年8月16日，中國成功地發(fā)射了世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，在國際上率先實現(xiàn)了高速星地量子通信，初步構(gòu)建了“天地一體化”的量子通信網(wǎng)絡。量子通信衛(wèi)星是一種傳輸高效的通信衛(wèi)星，能夠使中國制造的衛(wèi)星安全性得到質(zhì)的提升，從根本上解決信息安全問題。2019年9月，“墨子號”量子科學衛(wèi)星再獲重要成果，利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗。這是國際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場中對嘗試結(jié)合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗，極大地推動了相關(guān)物理學基礎(chǔ)理論和實驗研究。2016年年底，“京滬干線”部分區(qū)段已經(jīng)開通，這是世界第一條量子通信保密干線，承載重要信息的保密傳輸，開啟了中國量子通信新時代。至2017年10月，中國已建成2000多公里量子通信的“京滬干線”，并相繼投建了“武合干線”“寧蘇干線”等骨干網(wǎng)絡，建設(shè)進程不斷加快。

隨著中國量子技術(shù)的普及和發(fā)展，量子通信作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，將有望走向大規(guī)模應用，為信息化社會的發(fā)展提供基礎(chǔ)的安全服務和可靠的安全保障，并徹底解決基礎(chǔ)設(shè)施的信息安全問題。“墨子號”量子衛(wèi)星上天、量子計算云平臺啟動、“京滬干線”啟航，在這場微觀世界的量子技術(shù)競爭中，中國“探夢者”的創(chuàng)新步伐已經(jīng)走在世界量子技術(shù)領(lǐng)域的前沿。

參考文獻

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責 編／張 貝

The Development and Application Prospects of Quantum Science and Technology in the World

Li Daguang

Abstract: Quantum science and technology is one of the most advanced fields of science and technology in the world, which has given birth to a series of epoch-making scientific discoveries and technological inventions, and constantly changed the face of the world today. The development and wide application of quantum theory and quantum mechanics promote the innovation and breakthrough of quantum technology, and help to create the “black technologies” such as quantum encryption, quantum communication, quantum computing, and quantum measurement. Since the 1990s, the United States, the European Union and Japan have started the research and application of quantum communication technology. China was a late starter, but it has become a leader in the development of quantum science and technology. Quantum communication, as the key technology to ensure the security of communication in the future information society, is expected to be applied on a large scale, providing basic security services and reliable security guarantee for the development of information society.

Keywords: quantum science, quantum technology, quantum theory, quantum communication