我國(guó)量子通信和量子計(jì)算研究現(xiàn)在是什么水平？

　　很多人都打過(guò)保齡球，這個(gè)新游戲里面讓保齡球通過(guò)兩個(gè)狹縫，最終會(huì)在后面的屏幕上留下兩個(gè)痕跡。

　　如果把保齡球縮小為一個(gè)電子，重新玩這個(gè)游戲。此時(shí)，一個(gè)非常奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了。如視頻最后所示，屏幕中會(huì)出現(xiàn)多條明暗相間紋。

　　量子“保齡球”實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　如下圖所示，經(jīng)典世界和量子世界形成了非常鮮明的對(duì)比。經(jīng)典世界是我們都非常熟悉的，球打過(guò)去就是這樣的結(jié)果。在量子世界，有點(diǎn)像孫悟空的分身術(shù)，球的兩個(gè)分身可以一起經(jīng)過(guò)左右兩條縫隙。

　　左：經(jīng)典世界 右：量子世界

　　這就是量子世界不同于經(jīng)典世界的一個(gè)非常奇妙的特征，量子世界允許一個(gè)物體同時(shí)存在于多種狀態(tài)。

　　量子計(jì)算主要就是依賴(lài)于這個(gè)特性。計(jì)算的基本單元是0和1，例如，我們可以用圖中的紅色和藍(lán)色路線分別代表0和1。

　　量子世界

　　1個(gè)量子比特中，0和1兩種狀態(tài)同時(shí)存在;50個(gè)量子比特，有250種狀態(tài)同時(shí)存在。這些狀態(tài)同時(shí)輸入一個(gè)函數(shù)，可以同時(shí)得出250種狀態(tài)的結(jié)果，提供一種非常快速的并行計(jì)算方法。

　　但如果我們想看以下量子的保齡球到底是從左邊(紅色)還是右邊(藍(lán)色)過(guò)去的，此時(shí)，一個(gè)更加奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了。

　　如果沒(méi)有人觀測(cè)，量子會(huì)從兩邊同時(shí)經(jīng)過(guò)，一旦有人觀測(cè)，這種量子現(xiàn)象就會(huì)消失，退化回到經(jīng)典現(xiàn)象。

　　所以，量子的狀態(tài)和其是否被測(cè)量相關(guān)。這種性質(zhì)是量子保密通信原理的一個(gè)形象描述，就是說(shuō)，一旦有人竊聽(tīng)量子通信的通道，他不可避免地會(huì)擾動(dòng)、改變量子狀態(tài)，從而使通信雙方察覺(jué)，這樣，在物理原理上保證了通信的安全性。

　　量子通信保密原理

　　量子的應(yīng)用

　　很多人覺(jué)得這個(gè)聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)意思，但是似乎感受不到高冷的量子物理和我們生活的關(guān)系。其實(shí)，過(guò)去的一百多年，自量子力學(xué)發(fā)展以來(lái)，它所催生的各種技術(shù)已經(jīng)徹底改變了我們的生活。

　　比如，我們今天使用的計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、手機(jī)的芯片，其基本的計(jì)算單元是晶體管，就是基于量子力學(xué)中的能帶理論發(fā)明的。

　　激光也來(lái)源于量子力學(xué)，我們使用的硬盤(pán)(巨磁阻)、硬盤(pán)，還有LED發(fā)光等，都依賴(lài)于量子力學(xué)。但是之前的這些量子技術(shù)，都是基于量子規(guī)律的宏觀應(yīng)用。

　　第一次量子革命

　　最近幾十年，物理學(xué)發(fā)展到新的階段，即使有百億億個(gè)光子，在實(shí)驗(yàn)室里可以精準(zhǔn)地控制一個(gè)一個(gè)的光子、一個(gè)一個(gè)的原子。這些技術(shù)正在催生“第二次量子革命”的一些新技術(shù)，包括安全通信、超快計(jì)算、精密測(cè)量等技術(shù)。

　　第二次量子革命

　　我國(guó)量子技術(shù)的發(fā)展

　　改革開(kāi)放40年，很多方面發(fā)生了翻天覆地的變化。回顧過(guò)去會(huì)對(duì)這種變化有更加深切的感受。我們把時(shí)間軸撥回1996年，當(dāng)時(shí)，我的導(dǎo)師潘建偉老師剛?cè)W地利留學(xué)。

　　有一天，他興沖沖地去找他的導(dǎo)師安東·塞林格，說(shuō)自己通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的理論方案。講完這個(gè)方案后，安東問(wèn)他有沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)“量子隱形傳態(tài)”，潘老師說(shuō)不知道。

　　左：Anton Zeilinger 右：潘建偉

　　由于當(dāng)時(shí)互聯(lián)網(wǎng)水平的限制和國(guó)際期刊在國(guó)內(nèi)的普及程度不夠，在不知道1993年Bennett等人的PRL文章情況下，潘建偉就重新獨(dú)立推導(dǎo)出了量子隱形傳態(tài)，這是量子信息中的一個(gè)核心方案。

　　從到達(dá)因斯布魯克的第一天開(kāi)始，導(dǎo)師安東就問(wèn)潘建偉的留學(xué)夢(mèng)想是什么，他回答說(shuō)：“要在中國(guó)建立一個(gè)世界一流的量子實(shí)驗(yàn)室”。