高冷的量子物理和我們的生活有什么關(guān)系?

“其實，過去的一百多年，量子力學(xué)的發(fā)展，所催生的各種技術(shù)已經(jīng)徹底改變了我們的生活。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸朝陽教授告訴科技日報記者。

時鐘回撥至三年前，那年8月我國發(fā)射了世界上第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。

國際上幾乎所有最重要的媒體，如BBC、《紐約時報》《自然》《科學(xué)美國人》等，都報道了這一事件，并將之評為改變世界的十個重大科學(xué)事件之一。《華爾街日報》也以“沉寂了一千年，中國誓回發(fā)明創(chuàng)新之巔”為題進行報道。

隨之，以量子衛(wèi)星為代表，來自中國的一系列量子信息技術(shù)成果，也直接或者間接觸發(fā)了歐洲和美國的加大投入：歐洲正式啟動了量子技術(shù)旗艦項目，美國也通過了“國家量子行動法案”。

在“第二次量子革命”占有一席之地

我們今天使用的計算機、筆記本電腦、手機的芯片，其基本的計算單元是晶體管，就是基于量子力學(xué)中的能帶理論發(fā)明的。激光也來源于量子力學(xué)，我們使用的硬盤、LED發(fā)光等，都依賴于量子力學(xué)。

“但是之前的這些量子技術(shù)，都是基于量子規(guī)律的宏觀應(yīng)用。”陸朝陽說，最近幾十年，物理學(xué)發(fā)展到新的階段，即使有百億億個光子，我們在實驗室里也可以精準地控制到一個一個的光子、一個一個的原子。

“這些技術(shù)正在催生‘第二次量子革命’的一些新技術(shù)，包括安全通信、量子計算、精密測量等技術(shù)。”陸朝陽說，“‘第一次量子革命’，因為歷史原因，中國并沒有太多的參與。但現(xiàn)在‘第二次量子革命’就是一個非常好的機遇，是一個能夠使我們從之前的跟隨者、模仿者變?yōu)橐I(lǐng)者的機會，而中國科學(xué)家已經(jīng)牢牢地占有了一席之地”。

在中國建世界一流的量子實驗室

1996年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉剛?cè)W地利留學(xué)。

一天，潘建偉興沖沖地去找他的導(dǎo)師安東·塞林格，說自己通過計算發(fā)現(xiàn)了一個有趣的理論方案。講完這個方案后，安東問他有沒有聽說過“量子隱形傳態(tài)”，潘建偉說不知道。

由于當時互聯(lián)網(wǎng)水平的限制和國際期刊在國內(nèi)的普及程度不夠，在不知道1993年Bennett等人的相關(guān)論文的情況下，潘建偉重新獨立推導(dǎo)出了量子隱形傳態(tài)，這是量子信息中的一個核心方案。

從到達因斯布魯克的第一天開始，導(dǎo)師安東就問潘建偉：留學(xué)夢想是什么?他回答說：“要在中國建立一個世界一流的量子實驗室”。

時光飛逝，20多年過去了。在中科院、科技部、基金委、教育部等部門的支持下，潘建偉的這個夢想正一步步邁向現(xiàn)實。

“2002年，我們的團隊只有5個人。從2006年開始，很多年輕的學(xué)生被派到世界各地，在國際先進的實驗室學(xué)習(xí)新技術(shù)。”陸朝陽說，2009年，潘建偉老師剛剛參加完《復(fù)興之路》的主題展，就激動地給幾乎所有在海外的學(xué)生發(fā)了一條短信，希望我們能夠回國為民族復(fù)興盡力。

2011年，這些派往海外的學(xué)子基本都回到了國內(nèi)。后來發(fā)生的事情有目共睹。“我們團隊主要的研究路線，是從量子基礎(chǔ)研究開始，然后進入應(yīng)用基礎(chǔ)研究，再慢慢地把一些能夠直接應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)投入實踐應(yīng)用，反哺社會經(jīng)濟發(fā)展。”陸朝陽說。

高水平論文數(shù)量快速增長

量子的糾纏，是量子通信和量子計算的基礎(chǔ)。“在多光子糾纏領(lǐng)域，我們一直在國際上保持領(lǐng)先地位，目前，我們已經(jīng)實現(xiàn)了18個光量子的糾纏。”陸朝陽告訴記者，利用國際一路領(lǐng)先的多光子糾纏和干涉技術(shù)，中國團隊在2017年實現(xiàn)了第一臺在“波色取樣”這個特定任務(wù)上能夠超越最早期兩臺經(jīng)典計算機的光量子計算原型機。這是邁向“量子霸權(quán)”先期基礎(chǔ)測試的一步。

“我們一直在做的不是彎道超車，而是直道超車。量子科學(xué)實驗衛(wèi)星是直道超車的一個非常好的范例。”陸朝陽說，最開始在論證的時候，有些專家會問國外有沒有開展這樣的研究。很多人的看法是，國外開展研究了，我們才開始研究。

2017年，“墨子號”實現(xiàn)了從北京到維也納7600公里的量子保密通信。基于量子衛(wèi)星和“京滬干線”，我國首次描繪了天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)藍圖。于是，很多國外的機構(gòu)，包括歐洲、美國研究機構(gòu)，主動找來要求加入合作項目。

“此外，我們在量子計算和精密測量方面也做了比較系統(tǒng)的布局，利用超冷原子能夠?qū)崿F(xiàn)實用化的量子模擬技術(shù)。”陸朝陽告訴記者，利用超導(dǎo)量子計算探索和攻關(guān)通用的量子計算機，目前我國團隊已經(jīng)做到了12個超導(dǎo)量子比特的糾纏。

這意味著什么?在平時新聞里人們可能會聽到，IBM做到了50個量子比特，谷歌做到了72個，但他們所宣稱的量子比特數(shù)目還不能形成量子糾纏，也就意味著，并不能用于真正意義上的量子計算。

2007年，《新科學(xué)家》雜志在其《中國崛起》專刊里提道：“中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)——因而也是整個中國——牢牢地在量子計算的世界地圖上占據(jù)了一席之地。”

2012年，《自然》年度十大科技亮點中說“標志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，10年前不起眼的國家，發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅”。之后的2013年、2015年、2017年乃至2018年，我國量子科研團隊的原創(chuàng)成果都分別入選國際上的重大進展：美國物理學(xué)會“2013年度亮點”;英國物理學(xué)會“2015年度突破”;《自然》“2017年度國際重大科學(xué)事件”……

從1998年開始，我國在量子信息領(lǐng)域高水平論文數(shù)量已經(jīng)增長了80多倍。陸朝陽說，這也是新中國在科技方面的巨大進步，尤其是改革開放40年里進步的縮影。