潘建伟院士：新量子革命助力中国成为信息技术引领者

■高雅丽，本报见习记者

自20世纪90年代以来，对量子力学基本问题的深入研究和量子控制技术的巨大进步催生了量子信息科学这一新学科，它已成为近年来物理学领域最活跃的研究前沿之一。

“量子物体的状态会受到测量的影响，从而带来一个革命性的想法，即观察者的行为会影响系统的进化。”在中国科学院第19届院士大会第6次年会上，中国科学院院士、中国科技大学常务副校长潘剑伟介绍了从量子物理基础考试到量子信息技术的新量子革命。

两次量子革命带来的变化

牛顿的力学理论带来了第一次科学革命，但是经典物理学的决定论有一个难题——所有的事件都是在大爆炸之前确定的吗？个人努力有什么意义吗？

潘剑伟引用霍金的话说，“即使是那些相信一切都是上天注定的人，过马路时也会环顾四周”。他解释道:“尽管每个人都对牛顿的力学理论非常满意，但我们对它的决定论深感怀疑。”

怀疑导致了量子力学的建立。20世纪初，随着量子力学的建立而诞生的第一次量子革命，在能源、信息、材料和生命科学领域取得了前所未有的发展。

然而，许多基于第一次量子革命成果的重要工业领域已逐渐接近其技术极限，并在进一步发展中遇到严重障碍。

潘剑伟说:“通常人们可以使用身份认证、传输加密、数字认证等手段来保证信息安全。然而，一旦你有足够的计算能力，所有依赖于计算复杂性的加密算法原则上都将被破解。”

同时，在大数据时代，对计算能力的需求日益增加，但目前的计算能力非常有限。例如，世界上计算能力的总和不能在一年内完成对280个数据的彻底搜索。同时，随着晶体管的尺寸逐渐接近纳米级，量子效应将起主导作用，晶体管的电路原理将不再适用。

幸运的是，量子力学的发展已经准备好解决这些重大问题。

潘剑伟说，1935年，爱因斯坦等人指出，量子纠缠所体现的量子非局域性与经典物理的基本概念——局域实在论之间存在尖锐的矛盾。1964年，约翰·贝尔提出了贝尔不等式，为检验量子离域和离域实在论之间的矛盾提供了一个量化方案。此后，世界各地的学者进行了大量的贝尔不等式实验来验证量子力学非局域性的正确性。

作为量子控制技术的系统应用，量子信息技术可以突破经典技术在保证信息安全、提高运算速度和提高测量精度方面的瓶颈。量子控制和量子信息技术的迅速发展标志着第二次量子革命的兴起。

中国领先国际量子通信技术

“发展量子通信技术的最终目标是建立一个全国性甚至全球性的量子通信网络系统。”潘剑伟说道。

对于量子通信，目前有两种国际公认的可行方式:一种是使用中继器(包括可信中继器和量子中继器)进行分段传输；二是利用卫星传输进行*空间单光子传输，实现数千公里甚至全球化的量子通信。

目前，中国在发展量子通信技术的研究和应用方面处于国际领先水平。为了建设广域量子通信系统，中国建成了第一个1000公里的广域量子保密通信骨干网——京沪干线。

与此同时，经过近十年的努力，科学家们已经能够利用低地球轨道卫星进行量子通信。

2016年，在中国科学院科技战略试点项目的支持下，世界第一颗量子科学实验卫星墨子成功实现了三大既定科学目标，并率先在国际上实现了数千公里恒星的双向量子纠缠分布、数千公里恒星的高速量子密钥分布和数千公里恒星的量子隐形传态。

潘剑伟说:“去年我们每秒可以生成1000个密钥，最近已经有了很大的改进。现在，我们每秒可以相对稳定地生成100，000个密钥。”

量子通信将与经典通信网络相连接

“根据量子信息技术的发展趋势，经过10-15年的努力，有望在量子通信领域构建一个完整的空对地集成广域量子通信网络技术体系，推动量子通信技术在国防、政务、金融、能源等领域的首次广泛应用，实现量子通信网络与经典通信网络的无缝对接，为形成具有国际领先地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统奠定基础。”潘剑伟说道。

他说，与此同时，广域量子通信网络还将为建设大规模、高精度的时频传输网络、量子力学非局域性的最终检验以及广义相对论、量子力学与外层空间引力的结合等物理学基本原理的检验提供条件。

在量子精密测量方面，有望突破与导航、医学检验、科学研究等领域密切相关的一系列关键量子精密测量技术，完成一批重要的量子精密测量设备和系统的开发，如高精度光学时钟、长距离频率传输系统、原子陀螺仪等。

“以量子信息技术为代表的第二次量子革命为我们的国家提供了一个机会，让我们从传统信息技术时代的追随者和模仿者转变为未来信息技术的领导者。从最基础的研究开始，量子力学慢慢发展成为一项复杂的技术，并成为一项实用的研究。实际开发的技术也可用于支持量子力学中的非定域测试和量子重力测试的研究。因此，对基础研究的肯定在任何时候都不为过。”潘剑伟说道。

中国科学杂志(第三版学术版，2018-05-31)