量子科技 中国“快进”

人民网－人民日报海外版

中国科学家开展无人机夜试，进行量子纠缠分发实验。 新华社发

“墨子号”量子科学实验卫星模型。 新华社发

中科院量子信息与量子科技创新研究院建设工地。 新华社发

科研人员在中国科学技术大学先进技术研究院量子通信“京沪干线”总控中心工作。 新华社发

在量子科技领域，一场激烈的竞赛正在展开。量子通信、量子计算、量子测算……如今，量子科技已成为全球科技大国集中发力的新一轮科技革命和产业变革前沿阵地。

抢抓量子科技发展机遇，中国已按下“快进键”。专家指出，作为事关国家安全和社会经济高质量发展的战略性领域，量子科技的创新主动权和发展主动权要牢牢掌握在自己手中。

神奇的“纠缠”和“叠加”

量子指的是物质不可再分的基本单元。通俗来说，如果把能量等物理量一份份往下分，分到无法再分的小块就是量子。例如，光量子就是光能量的基本单元，不可能再分为半个、1/3个光子。事实上，我们在物理课上所学到的分子、原子、电子等，都是量子的不同表现形式。

1900年，德国物理学家马克斯·普朗克提出量子理论，开启了研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支。120年来，全球几代科学家孜孜以求，在量子理论、量子科技及其应用等领域开疆拓土。

在宏观世界中，牛顿经典力学可以帮助我们理解和测算物体的运动、速度等规律。但在量子微观世界中，许多规则却与我们的认知截然不同。其中的两个基本原理就是“叠加”和“纠缠”。

叠加原理，最经典的理论莫过于神秘莫测的“薛定谔的猫”。根据量子力学理论，物质在微观尺度上可以同时存在多种状态和多个位置的“叠加”。

为了解释叠加状态，奥地利物理学家薛定谔在1935年提出了经典理论：将一只猫关进装有少量镭和氰化物的箱子里，如果镭发生衰变，就会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；反之，猫就存活。在量子世界中，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，“可怜的”猫咪便处于死猫和活猫的叠加状态。

更为神奇的是，如果想要测量量子，它便会从叠加状态变为确定的状态，就像是如果有人怀着好奇心去打开箱子，便只能看到一只死猫或者活猫。

一个量子可以“叠加”多种状态，多个量子则会产生“纠缠”的奇妙反应。两个处于量子纠缠状态的粒子，就像双胞胎的心灵感应一样。无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个量子也会超“瞬间”发生变化。对于诡异的纠缠现象，爱因斯坦在当时也难以作出解释，将其称之为“鬼魅般的超距作用”。

量子理论诞生一百多年来，催生了许多重大发明，核能、激光、半导体等科技得以问世，进而发展出计算机、互联网、手机等重大应用，改变了人类文明进程。今天，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

量子通信“墨子”领跑

2016年8月，中国发射了自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星——“墨子号”。《自然》杂志曾评价道，在量子通信领域，中国用了不到10年的时间，由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅，将领先于欧洲和北美。

量子通信是各国优先发展的重点量子科技领域。传统的通信方式中，加密方式依靠的是计算的“复杂性”，有被窃听的风险。而量子的独有特性，使其具有不可克隆、测不准等“先天优势”。用量子做成的“密钥”来传递信息，加密的内容不会被破译，窃听者必然会被“抓包”。量子通信因此被看作信息安全传输的“保护盾”，为破解信息加密“瓶颈”提供了解决方案。

近年来，中国量子通信技术取得多项突破性进展。“墨子号”的发射为通过太空“量子传密”提供了可能。实验表明，在1200公里通信距离上，星地量子密钥的传输效率比地面光纤信道高1万亿亿倍，卫星平均每秒发送4000万个信号光子，一次实验可生成300千比特(kbit)的密钥，平均成码率达1.1千比特/秒(kbps)。

与此同时，中国科研人员还利用量子卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发等成果。2017年，全球首条量子保密通信骨干网“京沪干线”项目通过总技术验收。

文章来源：《中国科技期刊研究》 网址: http://www.zgkjqkyjzz.cn/zonghexinwen/2020/1028/383.html