曹天元

　　習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院第十九次院士大會、中國工程院第十四次院士大會上的講話中指出，“進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球科技創(chuàng)新進(jìn)入空前密集活躍的時(shí)期，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)?！痹谶@一空前密集活躍的全球科技創(chuàng)新潮中，較典型的就是“以人工智能、量子信息、移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈為代表的新一代信息技術(shù)加速突破應(yīng)用”。量子信息技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今世界科技實(shí)力和創(chuàng)新能力的一大表現(xiàn)，將影響未來信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會面貌。

　　近十幾年來，“量子”一詞熱度明顯提升

　　量子力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展，被視作過去100多年里對人類社會影響最為重大的科學(xué)事件之一。量子論不僅徹底改變?nèi)祟悓κ澜绲幕A(chǔ)認(rèn)知，也使我們的生活發(fā)生翻天覆地的變化。從半導(dǎo)體到微電子學(xué)，從核能到新材料，從激光到超導(dǎo)超流，可以說，量子論比歷史上任何一種科學(xué)理論引發(fā)的技術(shù)革命都多。沒有它，我們就不會有電腦和手機(jī)，不會有原子彈和電子顯微鏡，不會有核磁成像儀和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，甚至整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展在某種程度上也跟它密切相關(guān)。有人曾經(jīng)做過估算，現(xiàn)代社會創(chuàng)造的生產(chǎn)總值里至少有1/3建立在量子論基礎(chǔ)之上。

　　十幾年前，我為寫作科普讀物《上帝擲骰子嗎——量子物理史話》搜集資料時(shí)就發(fā)現(xiàn)，作為現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱，量子論在大眾中的“知名度”遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如相對論。一方面，這是因?yàn)榱孔诱摰幕居^點(diǎn)非常奇特，和普通人的直覺相違背；另一方面，也因?yàn)榱孔诱撻L期缺乏有效宣傳和普及。相比之下，相對論因?yàn)橛袗垡蛩固惯@位“代言人”，在公眾面前“露臉”的機(jī)會比較多，因此更為人所知，甚至在某種程度上成為前沿科學(xué)代名詞。

　　近十幾年來，“量子”一詞熱度明顯提升。不僅流行文化比如科幻文學(xué)、影視、動漫等作品中越來越多地出現(xiàn)量子概念，在科技報(bào)道里也時(shí)?？梢钥吹搅孔宇I(lǐng)域的突破性新聞。這并非偶然，因?yàn)槿缃窳孔宇I(lǐng)域正面臨一場新的革命，也就是所謂“二次量子革命”。只不過這一次，走在時(shí)代前沿的是量子力學(xué)與信息科學(xué)的交叉領(lǐng)域——量子信息。

　　憑借“絕無僅有”的安全性，量子信息將為解決信息安全問題提供支撐

　　什么是量子信息？我們知道，以電腦、通信、互聯(lián)網(wǎng)等為代表的信息技術(shù)已經(jīng)在很大程度上改變了人們生活。然而，隨著時(shí)代發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果把傳統(tǒng)的表征信息的基本物理單元替換成符合量子力學(xué)規(guī)律的微觀量子系統(tǒng)，從而將量子力學(xué)基本原理運(yùn)用到數(shù)據(jù)計(jì)算、加密、傳輸?shù)刃畔⑻幚磉^程中，將能完成一些傳統(tǒng)信息技術(shù)無法想象的任務(wù)，這些領(lǐng)域統(tǒng)稱為“量子信息”。

　　量子信息最主要的三個(gè)方向是量子計(jì)算、量子加密與量子傳輸。量子計(jì)算利用的是量子論里獨(dú)特的“量子疊加態(tài)”。量子論和經(jīng)典物理的最大不同，就是它認(rèn)為事物狀態(tài)并不是唯一確定的，而可以是各種可能性的“疊加”。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理信息的最小單位比特，要么是0要么是1，不可能有其他狀態(tài)；但在量子論看來，一個(gè)比特可以既是0又是1，也就是處于0和1的疊加態(tài)，這叫作“量子比特”。量子計(jì)算機(jī)就是利用這種性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樘幚淼氖翘幱诏B加態(tài)的量子比特，所以可以用同步并行的方式進(jìn)行。換句話說，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一次只能處理一個(gè)信息，而量子計(jì)算機(jī)一次可以處理N個(gè)信息的疊加，計(jì)算效率大大提高。這就使量子計(jì)算在某些領(lǐng)域極具威力。比如破解密碼，今天流行的加密方式，其安全性主要建立在電腦計(jì)算能力的限制上——只要密碼足夠長，哪怕把全世界最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)放到一起計(jì)算，也未必能夠算出結(jié)果。而一旦量子計(jì)算機(jī)成功面世，現(xiàn)行加密體系將面臨失效。需要說明的是，并不是在所有問題上，量子計(jì)算機(jī)效率都高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。由于目前只發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾種量子算法，因此只在特定問題上，量子計(jì)算機(jī)才具有明顯優(yōu)勢。除破解密碼，在天氣預(yù)報(bào)、藥物合成、深度學(xué)習(xí)、人工智能開發(fā)等領(lǐng)域，量子計(jì)算都被證明大有可為。

　　量子加密（或稱量子密鑰分配）利用的是量子不可克隆原理。量子力學(xué)認(rèn)為，不可能把一個(gè)粒子的狀態(tài)信息精確“拷貝”一份而不改變它本身。利用這種不可克隆性，可以實(shí)現(xiàn)一種理論上“絕對安全”的加密手段。在實(shí)踐中，我們用光子的偏振方向來“編碼”隨機(jī)產(chǎn)生的密鑰信息，一旦這些光子在傳輸途中被人竊聽，由于不可克隆原理，它們的初始狀態(tài)必定遭到破壞，傳輸方和接收方很容易通過比較發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)，并重新更換密碼。只有當(dāng)雙方確認(rèn)接收到的密碼未遭竊聽之后，才會發(fā)送加密過的正文，從而保證內(nèi)容傳輸?shù)慕^對安全。如果說量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)是一柄鋒利的矛，可以刺穿現(xiàn)有的加密體系，那么量子加密就是一張無比堅(jiān)固的盾，在理論上永遠(yuǎn)不可能被攻破。從信息安全的角度來說，這無疑具有重要價(jià)值。

　　量子傳輸（或稱量子隱形傳態(tài)）利用的是量子糾纏，所謂“糾纏”，指的是兩個(gè)粒子的狀態(tài)會產(chǎn)生量子力學(xué)系統(tǒng)所特有的奇特關(guān)聯(lián)。你可以想象成拋兩個(gè)硬幣，一旦它們“糾纏”在一起，就一定會拋出同樣的結(jié)果。神奇的是，哪怕這兩枚硬幣后來相隔遙遠(yuǎn)，甚至飛到宇宙兩端，它們之間的“糾纏”也仍然可以繼續(xù)存在。利用這一原理，我們可以把一個(gè)粒子的狀態(tài)原封不動地“傳送”到另一個(gè)粒子身上。在劉慈欣科幻小說《三體》里，三體人制造了4個(gè)智子，其中兩個(gè)智子發(fā)射到地球，另外兩個(gè)留在三體世界，正是憑借這些智子，三體人可以跨越4光年距離與人類進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通，這背后就是利用量子糾纏原理進(jìn)行通信。當(dāng)然，與科幻小說不同，真正的量子傳輸并不能超光速地“瞬間”傳送信息。因?yàn)樵趥魉土Ｗ訝顟B(tài)過程中，我們還需要給接收方一個(gè)額外“密碼”來解密，而這個(gè)密碼仍然需要靠傳統(tǒng)通信手段來傳輸。除了不能超光速之外，從原則上講，科幻電影里常見的場景——一個(gè)物體在一處消逝，再在另一處重現(xiàn)，并非是完全不可能的，只是現(xiàn)階段技術(shù)水平還僅局限在傳送原子、光子等微觀狀態(tài)。憑借量子加密和量子傳輸“絕無僅有”的安全性，量子信息技術(shù)將為解決備受世界關(guān)注的信息安全問題提供支撐。

　　科研應(yīng)用不斷突破，公眾科普任重道遠(yuǎn)

　　由于量子信息在通信、國防安全、金融等方面具有廣闊應(yīng)用價(jià)值和前景，迅速成為世界各國大力發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。在這輪量子信息浪潮中，在若干方向上，中國當(dāng)之無愧成為領(lǐng)跑者之一。2016年，中國發(fā)射了世界上第一顆量子通信衛(wèi)星“墨子號”；2017年，全球首個(gè)遠(yuǎn)距離量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”正式開通，可為沿線金融機(jī)構(gòu)、政府部門等提供高安全等級量子保密通信業(yè)務(wù)支持?？梢哉f，在量子密鑰分配、量子隱形傳態(tài)等領(lǐng)域，我們已經(jīng)取得國際領(lǐng)先地位，在超導(dǎo)量子計(jì)算等方向上，我們進(jìn)步也非常顯著。

　　伴隨科研與應(yīng)用領(lǐng)域的不斷突破，近年來，國內(nèi)也出版、引進(jìn)了一些量子信息方面的科普讀物，其中代表如《量子》《量子計(jì)算——從“巨人計(jì)算機(jī)”到“量子位元”》《跨越時(shí)空的骰子：量子通信、量子密碼背后的原理》等，量子世界中特有的奇特現(xiàn)象，量子計(jì)算、量子加密和量子傳輸?shù)确矫娴膽?yīng)用可能，正在為更多公眾了解。但與此同時(shí)，也應(yīng)看到科普工作的任重道遠(yuǎn)。公眾對量子世界的興趣，很大一部分是被量子論中那些聽上去神奇甚至詭異的觀點(diǎn)激發(fā)起來的。以至于現(xiàn)實(shí)生活中，“量子+××=高科技”的觀念頗有市場，不法商家打著高科技口號推銷所謂“量子儀器”“量子保健”“量子波動速讀”，招搖撞騙，坑害消費(fèi)者。對量子信息也是如此，很多人會視量子計(jì)算機(jī)為無所不能的超級工具，甚至?xí)a(chǎn)生人工智能很快就要壓倒人類的恐懼，也有人一直把量子傳輸理解成超光速通信，并由此產(chǎn)生不必要的誤解。這提醒我們，一方面應(yīng)通過更系統(tǒng)、更深入的科普工作揭開量子神秘面紗，另一方面，也應(yīng)引導(dǎo)讀者認(rèn)識理論假設(shè)和應(yīng)用實(shí)踐、理想狀態(tài)和現(xiàn)有技術(shù)條件之間的距離，更全面理性地關(guān)注科技前沿。

　　如今，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正處于重要交匯期，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為標(biāo)志的信息技術(shù)革命正深刻改變著世界面貌和人類生產(chǎn)生活。關(guān)于量子信息乃至整個(gè)信息科學(xué)的科普工作，還有很大進(jìn)步空間。眾所周知，我們今天生活在一個(gè)信息時(shí)代，和量子論一樣，創(chuàng)立于70多年前的信息論也是一門深刻改變了世界的學(xué)說，但在這個(gè)領(lǐng)域，至今仍然缺乏在公眾中具有廣泛影響力的科普作品。信息論和量子論的結(jié)合正煥發(fā)新的絢爛光彩，這跟我們每個(gè)人息息相關(guān)，應(yīng)該被更深入地認(rèn)識和理解。

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　　制圖：郭  祥