“薛定諤的貓”在量子世界中，是生死疊加的狀態(tài)。你能想通嗎？想不通很正常，因為這是量子世界，是物理學(xué)最前沿的研究領(lǐng)域。19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)趨于完善，它幾乎完美地揭示了整個世界的運(yùn)行規(guī)律，還催生了無數(shù)改變世界的技術(shù)和發(fā)明。但是1900年，著名英國物理學(xué)家威廉·湯姆森，即開爾文勛爵在展望20世紀(jì)的物理學(xué)時表示，在物理學(xué)晴朗的天空上，還有兩朵小小的令人不安的烏云。其中一朵烏云后來為我們打開了神奇的量子世界。量子究竟是什么？有哪些特性和用途？量子時代該如何布局？大眾對量子技術(shù)存在哪些誤區(qū)？

什么是量子

什么是量子？凡是運(yùn)動規(guī)律遵從量子力學(xué)的那些客體，統(tǒng)統(tǒng)叫量子。那些遵從牛頓力學(xué)、電動力學(xué)經(jīng)典物理的，叫做經(jīng)典世界，量子世界是一個不確定的、概率性的世界。比如說，這個空間里有一個粒子，經(jīng)典世界里“在這個時間這個粒子在空間哪一個位置”，它是完全確定的，但量子世界是不確定的，這個量子可能是光子、電子，也可能是夸克，要問這個粒子在空間哪個位置？量子力學(xué)告訴你，它是不確定的。比如一個人從合肥到北京，不可能同一時間既乘高鐵又坐飛機(jī)，這在經(jīng)典世界是確定的。但要是一個量子，它可能既乘高鐵又坐飛機(jī)，兩條路同時來。自然界就是存在這種性質(zhì)的粒子。這些量子世界和經(jīng)典世界不同的所有的性質(zhì)，統(tǒng)稱為量子性。比如說不確定性、概率性，還有量子糾纏、量子不可克隆等等，這些都叫量子性。

1900年，德國物理學(xué)家普朗克第一次提出量子的概念。之后，有很多優(yōu)秀的物理學(xué)家共同創(chuàng)立了一個能夠了解整個量子世界運(yùn)行規(guī)律的理論，這個理論就是量子力學(xué)。那我們能不能把量子世界這種奇怪的量子性開發(fā)出來，為經(jīng)典世界服務(wù)？是可能的，而且量子世界開發(fā)出來的技術(shù)，比在經(jīng)典世界里開發(fā)出來的技術(shù)還要好。經(jīng)典技術(shù)，比如互聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能現(xiàn)在發(fā)展得非?？?，但這些技術(shù)發(fā)展到一定程度，性能很容易到達(dá)物理極限，就沒法再提高了。接下來，人類再想實現(xiàn)跨越式發(fā)展，就得靠量子技術(shù)，量子技術(shù)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典技術(shù)?？梢哉f，量子技術(shù)是下一代人類的新技術(shù)。

量子時代該如何布局

量子計算機(jī)被認(rèn)為是當(dāng)今最有前景的前沿技術(shù)之一，并有望改變世界。中國、美國等國家都在研發(fā)自己的量子計算機(jī)。那么，量子計算機(jī)有什么優(yōu)點(diǎn)？電子計算機(jī)的特點(diǎn)是串行運(yùn)算，它的數(shù)據(jù)庫里每一個時間就存一個數(shù)據(jù)，是確定的。然后，你要解決問題就要操控它，操控一次就把這個數(shù)據(jù)變成另一個數(shù)據(jù)，再操控一次就變成另一個數(shù)據(jù)，直到把程序算完為止。這樣算有快有慢，但最后都是一步一步往下串，這就是串行運(yùn)行的模式。量子計算機(jī)把0和1同時包在里面計算，所以它的特點(diǎn)是概率的、不確定的。量子存儲器一個時間可以同時存2的N次方的數(shù)據(jù)。N是什么呢？就是量子存儲器的數(shù)目，它隨著數(shù)目指數(shù)上升，操縱一次就可以把很多2的N次方的數(shù)據(jù)變成另外新的2的N次方數(shù)據(jù)，所以每一步操作是并行運(yùn)行的，這是天然的量子性所決定的特點(diǎn)。并行運(yùn)算處理數(shù)據(jù)能力是極強(qiáng)的，只要挺過前期的緩慢增長階段，指數(shù)的威力越靠后越大，大到難以想象。

這也是量子計算機(jī)吸引人的地方，那怎么還不做出來？量子計算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于量子特性，而量子特性非常脆弱，一旦做出來量子計算機(jī)，它的量子性很容易被破壞掉，它的并行運(yùn)算又會回到串行運(yùn)算。所以要把相干性拉長才行，但是在宏觀世界里任何一個物理體系的相干性都比較差。相干時間，就是保持量子性的那段時間是很短的。比如超導(dǎo)量子計算機(jī)，科學(xué)家花了13年把超導(dǎo)的相干時間提高了5萬倍，達(dá)到100微秒，這是一個很大的進(jìn)展。在宏觀世界100微秒太小了，但是在量子世界里100微秒已經(jīng)很長了，足夠計算很多東西了。這種相干性的提高讓科學(xué)家很興奮，相干性一突破，量子計算機(jī)馬上就有可能比較快地做出來，所以有很多國家開始對其加大投入。隨后，美國、歐盟、澳大利亞等都制定了雄心勃勃的研發(fā)計劃。

整體來說，量子計算機(jī)處在電子計算機(jī)曾經(jīng)歷過的一個從晶體管向集成電路過渡的階段。這幾年是研制量子計算機(jī)的關(guān)鍵時期，我們時不時會聽到國內(nèi)外在這方面的一些進(jìn)展。那么，量子時代究竟什么時候能到來？目前面臨兩個困難。一是人造的量子系統(tǒng)的相干時間非常短。二是人類操控量子計算機(jī)的技術(shù)還不成熟。2012年，兩位物理學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎，因為他們操控了單個粒子、原子和光子，操控了一個就得了諾貝爾獎。而我們面臨的是量子計算機(jī)成千上萬的量子處理器，難度可想而知。所以，真正要研制成實用的量子計算機(jī)是一個很艱難的過程。什么時候能做到呢？一個時代到來一定有個標(biāo)志性的東西，這個標(biāo)志性是什么呢？就是通用量子計算機(jī)得到實際應(yīng)用。

通用量子計算機(jī)如何做到呢？需要三步。第一步，做一個量子力學(xué)操縱的處理器，這個目前已經(jīng)做到了。第二步，把量子比特數(shù)增加到100個左右，這時量子計算機(jī)的運(yùn)算能力就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)在任何超算中心的能力，這叫量子霸權(quán)，但它仍然不是通用的量子計算機(jī)。第三步，把比特數(shù)增加至一千個、一萬個……還要采取容錯、糾錯的辦法，把相干時間拉長。任何復(fù)雜問題在量子計算機(jī)上都能夠運(yùn)行、不會死掉，到那個時候才是真正的通用量子計算機(jī)，而且不僅要在實驗室做成，還要把它做成儀器能夠讓大家廣泛使用。

量子計算機(jī)能給人類帶來什么好處？它可以破解密碼，當(dāng)前我們廣泛使用的密鑰安全不安全，取決于能不能用計算機(jī)把一個大數(shù)N分成兩個素數(shù)（質(zhì)數(shù)）相乘。把129位數(shù)字分成兩個素數(shù)（質(zhì)數(shù)）相乘的實驗，1994年在有1600臺電子計算機(jī)的工作站，一共花了8個月把它分出來了。但是如果N拉長，拉到500位，同樣的運(yùn)算能力需要多長時間呢？比宇宙年齡還要長，也就是說宇宙毀滅了，我們還沒破解完。量子計算就不一樣了，如果我們有一個2000個量子比特的量子計算機(jī)，哪怕是量子霸權(quán)，只要一秒鐘就可以分解了。所以一旦量子計算機(jī)做成了，現(xiàn)在廣泛使用的公開密碼全都要破解。另外，搜尋算法可以在數(shù)據(jù)庫里大量的無規(guī)數(shù)據(jù)中找到一個特定的信息。比如說有N個條目的電話號碼本，忘了一個號碼，電子計算機(jī)怎么找？一個一個找，找一個比較一下，不是就扔掉，要找N次。如果用量子計算機(jī)怎么來找呢？找根號N次，比如說N等于100萬，電子計算機(jī)要操作100萬次才能找到，量子計算機(jī)只要找1000次，就能找到，這個搜尋問題的應(yīng)用是非常廣泛的。還有，我們要設(shè)計一個能夠識別預(yù)制病毒活性的RNA（核糖核酸）分子，通常會在計算機(jī)模擬各種各樣的組合，看哪一個分子最有效，就好比大海撈針。但是用量子計算機(jī)，很復(fù)雜的物理體系都能模擬出來。有些理論上算出它可能存在，但是自然界根本不存在的東西，也可以用量子模擬研究。量子技術(shù)除了量子計算機(jī)、量子模擬，還有個量子密碼。我們前面說的密碼，它的安全性都靠數(shù)學(xué)，但量子密碼靠物理，靠量子力學(xué)，這樣從物理角度給我們提供了一種新的信息安全手段。還有量子傳感，它的靈敏度、精度相對于傳統(tǒng)傳感技術(shù)大大提高。這種量子技術(shù)，會逐漸發(fā)展，為我們?nèi)祟惖拿篮蒙罘?wù)。

有關(guān)量子技術(shù)的誤區(qū)有哪些

有關(guān)量子技術(shù)的誤區(qū)來源主要有兩個。量子本身就很神奇，因為人類處于經(jīng)典世界，我們熟悉經(jīng)典物理，對量子奇奇怪怪的性質(zhì)我們不好理解，這是容易產(chǎn)生誤區(qū)的一個原因；第二個原因是人為的，就是我們的宣傳誤導(dǎo)了。舉一個例子，關(guān)于量子糾纏是否可以實現(xiàn)超光速的通信。量子糾纏是怎么回事兒呢？兩個粒子A和B，A自旋，要么向上，要么向下，只有兩種可能。自旋到底是向上、向下，不確定，所以它有50%的概率向上，50%的概率向下，量子世界是不確定的，B也是這樣自旋，要么向上，要么向下。現(xiàn)在造一個A和B共同的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)非常特殊，就是不管A和B的自旋在哪兒，它們兩個自旋總是相反。這是它們共同的性質(zhì)，就是A已經(jīng)是向下了，B肯定向上，如果A不測量，那么B各有一半概率向上向下；先測量A，B發(fā)生變化，那應(yīng)該有個什么東西過去才會變。我們現(xiàn)在不做這樣的實驗，我把A和B同時測量，沒有先后，沒有因果，不需要信息傳過去了，或同時不傳什么，發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一樣，A只要向下，B一定向上，A要向上，B一定向下，它們總是相反。這個性質(zhì)使它們糾纏，這說明它們兩個是完全關(guān)聯(lián)的，是一種量子關(guān)聯(lián)。所以糾纏幽靈的本質(zhì)，就是量子關(guān)聯(lián)，量子關(guān)聯(lián)所發(fā)生的瞬時變化，不需要傳遞任何信息，根本就沒有信息的傳遞，沒有信息的傳遞就談不到超光速的信息，這也是量子力學(xué)的“非局域現(xiàn)象”。量子關(guān)聯(lián)是量子力學(xué)非?；镜男再|(zhì)，所以現(xiàn)在提供很有用的工具，叫EPR效應(yīng)，是量子力學(xué)一個基本效應(yīng)。什么叫EPR效應(yīng)？比如說一個母親在北京，她女兒在深圳結(jié)婚生子，盡管她女兒沒有告訴她，但孩子生出來那一瞬間這個在北京的母親就自動變成外婆，這就是EPR效應(yīng)。不管兩個人分得多開，這就是關(guān)聯(lián)。這個跟糾纏一樣，糾纏是兩個粒子總是相反的，我在哪兒測量，它一定變。所以，科學(xué)對糾纏的理解，就是沒有任何信息的傳遞，也不可能拿這種糾纏開發(fā)到經(jīng)典世界里做超光速通信，是絕對做不到的。

還有一個例子，有的文章提出量子技術(shù)可以將人瞬時送到另外一個星球，“蹭”一下子就過去了，這個絕對做不到。這里面需要兩個條件：一個是糾纏，一個是經(jīng)典通信。經(jīng)典通信就不會超光速，這個絕對不是技術(shù)上不完整，而是原理上根本做不到。

這兩個例子對公眾影響非常大，把量子力學(xué)、量子信息搞得很神奇。還有量子水、量子按摩、量子鞋墊、量子醫(yī)學(xué)的廣告到處都是。是不是量子，就看它有沒有用量子力學(xué)的規(guī)律來做運(yùn)行。目前，還沒有一個量子產(chǎn)品能夠普遍應(yīng)用到廣大群眾那里去，還做不到。量子糾纏是量子世界獨(dú)有的現(xiàn)象，超過了量子世界，就沒有糾纏這個概念。所以把人體的一些活動，特別是把搞不清的內(nèi)容歸到量子糾纏去，這是不對的。

量子力學(xué)是成功的理論，量子信息技術(shù)也是量子力學(xué)推導(dǎo)出來的，所以原理上是正確的，盡管技術(shù)上比較難，但只要慢慢做，就一定能做成。一旦量子技術(shù)到來了，人類社會就會進(jìn)一步發(fā)展，生產(chǎn)力會發(fā)展到一個新的階段，我們把這個階段稱為“第二次量子革命”。所以，我們現(xiàn)在正在迎接“第二次量子革命”的到來，量子信息技術(shù)就是未來新一代的技術(shù)！

【作者簡介】

郭光燦，福建泉州人，中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實驗室主任，中國科學(xué)院院士，現(xiàn)任中國物理學(xué)會常務(wù)理事、中國光學(xué)學(xué)會理事長。他長期從事量子光學(xué)、量子通信和量子計算的理論與實驗研究，是中國量子光學(xué)和量子信息的開創(chuàng)者與奠基人，創(chuàng)建了我國第一個量子信息實驗室。擔(dān)任國家基金委創(chuàng)新群體學(xué)術(shù)帶頭人；科技部中長期規(guī)劃“量子調(diào)控”重大項目《量子通信與量子計算的物理實現(xiàn)》、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項項目《基于固態(tài)系統(tǒng)的量子物理和量子信息》和基金委重大儀器專項《多功能固態(tài)量子存儲器》的首席科學(xué)家。2003年獲國家自然科學(xué)獎二等獎、何梁何利基金科技與技術(shù)進(jìn)步獎，2009年當(dāng)選為第三世界科學(xué)院院士，2013年當(dāng)選“CCTV年度科技創(chuàng)新人物”。