曹天元

　　习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上的讲话中指出，“进入21世纪以来，全球科技创新进入空前密集活跃的时期，新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。”在这一空前密集活跃的全球科技创新潮中，较典型的就是“以人工智能、量子信息、移动通信、物联网、区块链为代表的新一代信息技术加速突破应用”。量子信息技术已经成为当今世界科技实力和创新能力的一大表现，将影响未来信息产业发展和经济社会面貌。

　　近十几年来，“量子”一词热度明显提升

　　量子力学的创立和发展，被视作过去100多年里对人类社会影响最为重大的科学事件之一。量子论不仅彻底改变人类对世界的基础认知，也使我们的生活发生翻天覆地的变化。从半导体到微电子学，从核能到新材料，从激光到超导超流，可以说，量子论比历史上任何一种科学理论引发的技术革命都多。没有它，我们就不会有电脑和手机，不会有原子弹和电子显微镜，不会有核磁成像仪和全球卫星定位系统，甚至整个互联网发展在某种程度上也跟它密切相关。有人曾经做过估算，现代社会创造的生产总值里至少有1/3建立在量子论基础之上。

　　十几年前，我为写作科普读物《上帝掷骰子吗——量子物理史话》搜集资料时就发现，作为现代物理学两大支柱，量子论在大众中的“知名度”远远不如相对论。一方面，这是因为量子论的基本观点非常奇特，和普通人的直觉相违背；另一方面，也因为量子论长期缺乏有效宣传和普及。相比之下，相对论因为有爱因斯坦这位“代言人”，在公众面前“露脸”的机会比较多，因此更为人所知，甚至在某种程度上成为前沿科学代名词。

　　近十几年来，“量子”一词热度明显提升。不仅流行文化比如科幻文学、影视、动漫等作品中越来越多地出现量子概念，在科技报道里也时常可以看到量子领域的突破性新闻。这并非偶然，因为如今量子领域正面临一场新的革命，也就是所谓“二次量子革命”。只不过这一次，走在时代前沿的是量子力学与信息科学的交叉领域——量子信息。

　　凭借“绝无仅有”的安全性，量子信息将为解决信息安全问题提供支撑

　　什么是量子信息？我们知道，以电脑、通信、互联网等为代表的信息技术已经在很大程度上改变了人们生活。然而，随着时代发展，科学家们发现，如果把传统的表征信息的基本物理单元替换成符合量子力学规律的微观量子系统，从而将量子力学基本原理运用到数据计算、加密、传输等信息处理过程中，将能完成一些传统信息技术无法想象的任务，这些领域统称为“量子信息”。

　　量子信息最主要的三个方向是量子计算、量子加密与量子传输。量子计算利用的是量子论里独特的“量子叠加态”。量子论和经典物理的最大不同，就是它认为事物状态并不是唯一确定的，而可以是各种可能性的“叠加”。传统计算机处理信息的最小单位比特，要么是0要么是1，不可能有其他状态；但在量子论看来，一个比特可以既是0又是1，也就是处于0和1的叠加态，这叫作“量子比特”。量子计算机就是利用这种性质进行计算，因为处理的是处于叠加态的量子比特，所以可以用同步并行的方式进行。换句话说，传统计算机一次只能处理一个信息，而量子计算机一次可以处理N个信息的叠加，计算效率大大提高。这就使量子计算在某些领域极具威力。比如破解密码，今天流行的加密方式，其安全性主要建立在电脑计算能力的限制上——只要密码足够长，哪怕把全世界最强大的超级计算机放到一起计算，也未必能够算出结果。而一旦量子计算机成功面世，现行加密体系将面临失效。需要说明的是，并不是在所有问题上，量子计算机效率都高于传统计算机。由于目前只发现少数几种量子算法，因此只在特定问题上，量子计算机才具有明显优势。除破解密码，在天气预报、药物合成、深度学习、人工智能开发等领域，量子计算都被证明大有可为。

　　量子加密（或称量子密钥分配）利用的是量子不可克隆原理。量子力学认为，不可能把一个粒子的状态信息精确“拷贝”一份而不改变它本身。利用这种不可克隆性，可以实现一种理论上“绝对安全”的加密手段。在实践中，我们用光子的偏振方向来“编码”随机产生的密钥信息，一旦这些光子在传输途中被人窃听，由于不可克隆原理，它们的初始状态必定遭到破坏，传输方和接收方很容易通过比较发现这一点，并重新更换密码。只有当双方确认接收到的密码未遭窃听之后，才会发送加密过的正文，从而保证内容传输的绝对安全。如果说量子计算机的出现是一柄锋利的矛，可以刺穿现有的加密体系，那么量子加密就是一张无比坚固的盾，在理论上永远不可能被攻破。从信息安全的角度来说，这无疑具有重要价值。

　　量子传输（或称量子隐形传态）利用的是量子纠缠，所谓“纠缠”，指的是两个粒子的状态会产生量子力学系统所特有的奇特关联。你可以想象成抛两个硬币，一旦它们“纠缠”在一起，就一定会抛出同样的结果。神奇的是，哪怕这两枚硬币后来相隔遥远，甚至飞到宇宙两端，它们之间的“纠缠”也仍然可以继续存在。利用这一原理，我们可以把一个粒子的状态原封不动地“传送”到另一个粒子身上。在刘慈欣科幻小说《三体》里，三体人制造了4个智子，其中两个智子发射到地球，另外两个留在三体世界，正是凭借这些智子，三体人可以跨越4光年距离与人类进行实时沟通，这背后就是利用量子纠缠原理进行通信。当然，与科幻小说不同，真正的量子传输并不能超光速地“瞬间”传送信息。因为在传送粒子状态过程中，我们还需要给接收方一个额外“密码”来解密，而这个密码仍然需要靠传统通信手段来传输。除了不能超光速之外，从原则上讲，科幻电影里常见的场景——一个物体在一处消逝，再在另一处重现，并非是完全不可能的，只是现阶段技术水平还仅局限在传送原子、光子等微观状态。凭借量子加密和量子传输“绝无仅有”的安全性，量子信息技术将为解决备受世界关注的信息安全问题提供支撑。

　　科研应用不断突破，公众科普任重道远

　　由于量子信息在通信、国防安全、金融等方面具有广阔应用价值和前景，迅速成为世界各国大力发展的重点领域。在这轮量子信息浪潮中，在若干方向上，中国当之无愧成为领跑者之一。2016年，中国发射了世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”；2017年，全球首个远距离量子保密通信骨干网“京沪干线”正式开通，可为沿线金融机构、政府部门等提供高安全等级量子保密通信业务支持。可以说，在量子密钥分配、量子隐形传态等领域，我们已经取得国际领先地位，在超导量子计算等方向上，我们进步也非常显著。

　　伴随科研与应用领域的不断突破，近年来，国内也出版、引进了一些量子信息方面的科普读物，其中代表如《量子》《量子计算——从“巨人计算机”到“量子位元”》《跨越时空的骰子：量子通信、量子密码背后的原理》等，量子世界中特有的奇特现象，量子计算、量子加密和量子传输等方面的应用可能，正在为更多公众了解。但与此同时，也应看到科普工作的任重道远。公众对量子世界的兴趣，很大一部分是被量子论中那些听上去神奇甚至诡异的观点激发起来的。以至于现实生活中，“量子+××=高科技”的观念颇有市场，不法商家打着高科技口号推销所谓“量子仪器”“量子保健”“量子波动速读”，招摇撞骗，坑害消费者。对量子信息也是如此，很多人会视量子计算机为无所不能的超级工具，甚至会产生人工智能很快就要压倒人类的恐惧，也有人一直把量子传输理解成超光速通信，并由此产生不必要的误解。这提醒我们，一方面应通过更系统、更深入的科普工作揭开量子神秘面纱，另一方面，也应引导读者认识理论假设和应用实践、理想状态和现有技术条件之间的距离，更全面理性地关注科技前沿。

　　如今，新一轮科技革命和产业变革正处于重要交汇期，以数字化、网络化、智能化为标志的信息技术革命正深刻改变着世界面貌和人类生产生活。关于量子信息乃至整个信息科学的科普工作，还有很大进步空间。众所周知，我们今天生活在一个信息时代，和量子论一样，创立于70多年前的信息论也是一门深刻改变了世界的学说，但在这个领域，至今仍然缺乏在公众中具有广泛影响力的科普作品。信息论和量子论的结合正焕发新的绚烂光彩，这跟我们每个人息息相关，应该被更深入地认识和理解。

　　（作者为科普作家）  

　　制图：郭  祥