中共中央政治局近日就量子科技研究和應用前景舉行了第二十四次集體學習。什麼是量子科技？其科學原理和發展態勢如何？解放日報·上觀新聞記者採訪了多位科學家。據介紹，第二次量子科技革命上世紀末興起以來，量子通信、量子計算等新一代信息技術已處於產業化前夜，有望引發具有深遠影響的產業變革。
量子力學用概率描述微觀粒子
“量子科技的基礎是量子力學，這是一種有助於我們理解世間萬物的理論。”上海交通大學集成量子信息技術研究中心主任金賢敏教授説，在很多人看來，量子力學很詭異，甚至説它“是騙人的”，但其實，它迄今是解釋從微觀到宏觀世界自然現象的最好理論之一。
所謂量子，是一個物理量不可分割的最小單位。某個物理量如果不能連續變化，只能取一些分立的值，它就是量子化的。好比走樓梯，我們只能登上一個台階，而不能登上半個。科學家發現，宏觀世界裏的物理量似乎都能連續變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的。如氫原子中電子的能量只能取一個基本值——-13.6電子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等，而不能取其2倍或1/2、1/3。
除了量子化，微觀與宏觀世界還有很多不同。其中最讓人難以理解的微觀世界特性，可能要屬量子疊加態，這是量子力學的一個基本原理。經典力學解釋宏觀世界時，用座標和動量的確定值來描述各個質點的狀態，然而物理學家用這種模式描述微觀粒子時，發現經典力學失效了，因為一個粒子可以既處於“0”又處於“1”的狀態，與宏觀世界的確定性大相徑庭。因此，量子力學用態矢量描述粒子狀態。簡而言之，態矢量是一種概率，意味着粒子狀態具有隨機性。
對於這種讓人捉摸不定的隨機性，中國科技大學教授陸朝陽打了個比方：有些狀態可以用指向為上、下、左、右的箭頭表示，於是我們將方向作為一個物理量，然而還有些狀態是一個圓，如果對“圓狀態”測方向，它會以相同的概率變成任何一個箭頭狀態。同樣道理，科學家制備出多個具有相同狀態的粒子，如果重複測量它們的位置，會發現每次實驗結果都不一樣。
潘建偉院士（右）和陸朝陽教授在實驗室。
量子通信和計算向產業化進軍
利用量子疊加態等科學原理，人們可以進行量子保密通信。中國科學院院士、中國科技大學教授潘建偉解釋説，經典通信的信號只有0和1，發生竊聽時，這兩種信號都不會被擾動。比如兩個人打電話時，他人可以用竊聽器從通信線路中的電子中分出一些電子，讓它們進入另一根線路，從而實現竊聽，而通話者無法察覺。量子通信與之不同，不但有信號0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態。根據量子力學的不確定性原理和不可克隆原理，量子信號一旦被竊聽，量子疊加態就會受到擾動，有可能“塌縮”成另一種量子態。這樣一來，通信雙方就能立即察覺。
量子計算依託的基本原理之一也是量子疊加態。金賢敏解釋説，因為一個粒子可以既處於“0”又處於“1”的狀態，兩個處於疊加態的粒子發生“量子糾纏”這種相互作用後，就會有4種狀態（2的2次方）。如果100個粒子發生量子糾纏，則會出現2的100次方種狀態。如此海量的狀態，可以讓量子計算機擁有超強的並行計算能力。
金賢敏教授在觀察自主製備的光量子集成芯片。
對於量子計算研發路線，去年9月發佈的《量子信息和量子技術白皮書（合肥宣言）》預測分為3個階段：第一階段是實現“量子優越性”，即針對特定問題的計算能力超越經典超級計算機，這一階段性目標將在近期實現；第二階段是實現具有應用價值的專用量子模擬系統；第三階段是實現可編程的通用量子計算機，這需要全球科技界的長期努力。“估計未來10—20年內，一批專用量子模擬系統將研發成功，用於催化化學反應模擬、高温超導材料製備等科研工作。”北京大學物理學院教授吳飆説，它們的運算效率比經典計算機高得多，所以這些領域的科研效率有望大幅提升，助力科學家研發出更多更好的新藥、新材料等成果。
據金賢敏介紹，量子力學上世紀初逐步建立以來，在上世紀40年代興起第一次量子科技革命，催生了原子彈、半導體晶體管、激光器等重要成果。上世紀末以來，第二次量子科技革命在信息技術領域興起，如今已接近產業化階段，並與人工智能等新一代信息技術交織在一起，有望形成具有顛覆性的創新成果。“量子科技的國際競爭十分激烈，多個國家和地區的政府近年來加強了這個領域的投入。黨中央對量子科技的高度重視，將有力推動我們向國際競爭制高點進軍。”
欄目主編：黃海華 文字編輯：俞陶然 題圖來源：新華社
來源：作者：俞陶然