中國科學院院士潘建偉，從親歷者的角度，介紹量子信息學及其發展趨勢。

第二次量子革命

上世紀初建立的量子力學是人類歷史上最偉大的科學革命之一。百年來，隨著量子力學的建立而催生的第一次量子革命，帶來了原子能、半導體、激光、核磁共振、超導和全球衛星定位系統等重大技術的發明，從根本上改變了人類的生活方式和社會面貌。也許，它對于公眾來說非常陌生，但是它其實已經深深融入了現代人的生活。自上世紀九十年代以來，量子調控技術取得了巨大的進步，人們可以深入微觀世界內部，操作微觀粒子的量子狀態。于是，以量子信息科學為代表的量子科技迅猛發展，這就是第二次量子革命的興起。

很榮幸的是，我的學習和科研經歷，讓我作為親歷者，見證和參與了第二次量子革命的興起和發展。

▲法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國物理學家約翰·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利物理學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）

2022年諾貝爾物理學獎被授予法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國物理學家約翰·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利物理學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他們在“用糾纏光子進行實驗、確立貝爾不等式的違背以及開創量子信息科學”的卓越成就。值得指出的是，我國近年來在量子科技領域取得的一系列重要突破，為推動該領域的發展進而得到國際廣泛重視做出了突出貢獻，在2022年諾貝爾物理學獎發布現場和“科學背景介紹”中都著重介紹了“墨子號”量子衛星等由我國學者完成的重要成果。

▲2022年諾貝爾物理學獎發布現場

事實上，2022年諾貝爾物理學獎的故事就是第二次量子革命興起和發展的縮影——在開展貝爾不等式實驗檢驗等量子物理基礎研究的過程中，人們逐步掌握了對于光子、原子等微觀粒子的量子行為進行主動精確操縱的能力，進而可以利用量子狀態對信息進行編碼、傳輸和處理，催生了量子信息科學。

三位獲獎人——阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·蔡林格是第二次量子革命的重要先驅，他們開展了早期的量子力學非定域性檢驗，成功制備了多粒子糾纏態，發展的多光子干涉度量學推動了光量子信息的處理等量子信息實驗研究。安東·蔡林格是我的博士生導師，在他的研究團隊里，我非常幸運參與了開創量子信息實驗研究的歷史過程。

回國后，我和我的同事、學生們獨立開展量子信息科學的研究。我國科學家們在量子信息領域的重大成果，尤其是“墨子號”量子衛星的成功實施，推動了該領域得到國際學術界、產業界以及政府的高度重視。

什么是量子信息科學

量子信息科學包括量子通信、量子計算、量子精密測量三方面應用，在保障信息傳輸安全、提高運算速度、提升測量精度等方面，可以突破經典技術的瓶頸。量子信息科學將成為信息、能源、材料和生命等領域重大技術創新的源泉，為保障國家安全和支撐國民經濟高質量發展提供核心戰略力量。我很高興地看到，以量子信息科學為代表的量子科技正在不斷形成新的科學前沿，激發革命性的科技創新，孕育對人類社會產生巨大影響的顛覆性技術。該領域的迅猛發展標志著第二次量子革命的興起。

簡單來說，量子信息科學三個方面的研究和應用分別有著各自的使命和藍圖：

（一）**量子通信：**量子通信是利用量子比特作為信息載體來進行信息交互的通信技術。量子通信有兩種最典型的應用，分別是量子密鑰分發和量子隱形傳態。量子密鑰分發是指利用量子態來加載信息，通過一定的協議在遙遠地點的通信雙方共享密鑰。量子力學基本原理保證了密鑰的不可竊聽，從而可在原理上實現無條件安全的量子保密通信。量子隱形傳態是指利用量子糾纏來直接傳輸微觀粒子的量子狀態（即量子信息），而不用傳輸這個微觀粒子本身。量子隱形傳態可以連接量子信息處理單元來構建量子網絡，同時也是遠距離量子密鑰分發所需的量子中繼的重要環節，因此國際學術界將量子密鑰分發和量子隱形傳態統稱為量子通信。量子密鑰分發是最先走向實用化和產業化的量子信息技術。

量子通信的發展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系，具體發展路線為：利用光纖構建城域量子通信網絡、通過中繼器鏈接鄰近兩個城市的城域量子通信網絡、通過衛星平臺的中轉鏈接遙遠區域之間的量子通信網絡。

（二）**量子計算：**量子計算是基于量子力學的疊加原理所展開的全新計算模式，它提供了一種從根本上實現并行計算的思路，具備極大超越經典計算機運算能力的潛力，可為人工智能、密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供解決方案。量子計算機一旦研制成功，將對基于計算復雜度的經典信息安全體系帶來巨大沖擊；而值得一提的是，量子保密通信的安全性基于物理學原理，與計算復雜度無關，即使是量子計算機也無法破解。

量子計算研究的核心任務是實現多量子比特的相干操縱。根據相干操縱量子比特的規模，國際學術界設定了如下三個“里程碑”：第一步是實現“量子計算優越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越經典超級計算機，達到這一里程碑需要約50個量子比特的相干操縱。第二步是實現專用量子模擬機，應用于組合優化、量子化學、機器學習等特定問題，為特定領域提供初步算力服務。達到這一里程碑需要實現千量子比特的相干操縱和高精度量子邏輯門，這也是當前的主要研究任務。第三步是在量子糾錯的輔助下實現可編程通用量子計算機，即相干操縱至少需達到數百萬個量子比特，能在密碼分析、新材料設計、氣象預報、生物制藥等方面發揮巨大作用。由于技術上的難度，國際學術界一般認為實現通用量子計算機仍需10至15年甚至更長時間。

（三）**量子精密測量：**量子精密測量是利用量子狀態對環境的高度敏感，可以對時間、位置、加速度、電磁場等物理量實現超越經典技術極限的精密測量。量子精密測量的主要應用包括高精度光頻標與時間頻率傳遞、量子陀螺儀、原子重力儀等量子導航技術，量子雷達、痕量原子示蹤、弱磁場探測等量子靈敏探測技術等。這些技術的應用價值已比較明朗，將在慣性導航、下一代時間基準、隱身目標識別、全球地形測繪、醫學檢驗、物理學基本問題等廣泛領域發揮重要作用。2018年第26屆國際計量大會正式通過決議，從2019年開始實施新的國際單位定義，從實物計量標準轉向量子計量標準，這標志著精密測量開始進入量子時代。

我國量子信息科技成就斐然

經過20余年的努力，我國量子科技領域整體上已經實現了從跟蹤、并跑到部分領跑的飛躍。總體而言，我國在量子通信的研究和應用方面處于國際領先地位，在量子計算方面處于國際第一方陣，在量子精密測量部分方向上處于國際領先或先進水平。在量子通信領域，我國的城域城際量子通信網絡技術已初步滿足實用化要求，總里程超過10000公里的國家量子骨干網已全線貫通，覆蓋京津冀、長三角、粵港澳、成渝等重要區域。在衛星量子通信方面，我國研制并成功發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，在國際上率先實現了星地量子通信。隨后，我國發射了世界首顆量子微納衛星“濟南一號”，為構建低成本、實用化的量子星座奠定基礎。衛星地面接收站的重量也已由十幾噸降到100公斤左右，可支持移動通信。

▲未來天地一體量子通信網絡

在量子計算領域，我國目前是唯一在光學和超導兩種物理體系都達到“量子計算優越性”里程碑的國家，牢固確立了國際量子計算研究第一方陣的地位。我國構建的76光子光量子計算原型機“九章”，在國際上首次在光量子體系實現“量子計算優越性”里程碑。最新的“九章三號”實現了255光子的相干操控，反超加拿大量子計算公司Xanadu，再度成為光量子計算的世界第一。在超導量子體系，我國先后構建了62比特超導量子計算原型機“祖沖之號”和66比特的“祖沖之二號”，在超導量子體系實現**“量子計算優越性”**。

▲九章三號（左圖）與祖沖之二號（右圖）

在量子精密測量領域，我國首次在國際上實現百公里級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗，時間傳遞穩定度達到飛秒量級，頻率傳遞萬秒穩定度優于4×10-19，達到國際最優水平；我國研制的高精度光鐘，其穩定度和不確定度均優于5×10-18**（相當于70億年的誤差不超過一秒）**，達到國際先進水平。在量子導航方面，我國研制成功的原子自旋陀螺原理樣機，指標與國外公開報道的最高指標相當；可移動原子重力儀精度已接近國際一流水平，小型移動式冷原子重力儀達到了目前國際上野外連續重力觀測的最好水平。在單量子靈敏探測方向，我國研究人員在量子激光雷達、痕量原子示蹤、單分子表征、磁場精密探測等若干方向上達到國際領先或先進水平。

構造讓量子信息科技，健康發展的良性環境

當前，量子信息正在逐步從實驗室走向現實應用，其戰略價值日益顯現，這使其進一步成為政府、科研機構和產業資本共同重視、大力投入的熱點，同時，它對社會發展的影響也引起了公眾的普遍關心。隨著國家的重視和廣大科技工作者的普及，“量子”時常成為網絡熱詞。對于這樣的情況，我們需要辯證地看，既要保持樂觀，又要謹慎對待。

樂觀的是，得到公眾的關注，是一個新興領域蓬勃發展的前提條件。但嚴謹地看，量子信息的產業轉化整體上仍然處于早期階段，各方向發展階段并不平衡，實用化程度不一，需要支持和關注的重點各有不同。

例如，量子保密通信是最先進入實用化階段、發展最為成熟的量子信息技術，當前正是加強應用推廣，推動構建我國自主的信息安全體系、形成比較優勢的良好時機。

又如量子計算，目前仍處于科學探索的階段，**所有量子計算原型機的硬件性能離解決有價值的實際問題都還存在相當的差距。**當前和未來一段時期內，量子計算研究的核心任務集中在物理實現方面，需要解決量子比特的規模和量子糾錯兩大難題，這是學術界的普遍共識。然而，國內外一些企業和研究人員，卻對量子計算的應用進行不切實際的夸大宣傳，并借以從資本市場套利。虛假宣傳和炒作在短期內引發了對于量子計算產業化的過度關注和不切實際的期待，從長期看，則會導致信任危機、政府和社會投入斷崖式下跌、人才隊伍渙散等一系列惡果，給該領域的發展造成嚴重沖擊。

此外，市場上不時出現的諸如“量子掛墜”、“量子鞋墊”、“量子能量水”之類，則純粹是打著“量子”旗號的虛假產品，與量子科技毫無關系。對于這類虛假產品，需要予以嚴厲杜絕。

對于前沿領域來說，其創新性必然意味著某種信息壁壘，自然也就為炒作留下了空間。正因如此，專業人士首先有責任開展嚴謹、必要的科技傳播，盡量消除信息壁壘，幫助公眾構建對量子科技健康、合理的期待。政府機構和公眾也應當更多地依賴和信任科學共同體的共識，避免對于“黑科技”的過度擔憂。只有在各方的共同努力下，才能建立良性的輿論場和互動關系，促進前沿領域的健康發展。只有健康、穩定的土壤，才能結出飽滿豐碩的果實。

來源: 墨子沙龍