高冷的量(liang)子(zi)物理和我(wo)們的生活(huo)有(you)什么(me)關系？
“其實，過去的(de)一(yi)百多年(nian)，量子力學的(de)發展(zhan)，所催生(sheng)的(de)各種技術已經(jing)徹底改變了我們(men)的(de)生(sheng)活(huo)。”中國科學技術大(da)學陸(lu)朝陽(yang)教授告(gao)訴科技日報記者。
時(shi)鐘回撥至三(san)年前，那年8月我國發射了世界(jie)上(shang)第一顆量(liang)子(zi)科學實驗衛星。
國際上幾乎所有最重(zhong)要的媒體，如BBC、《紐約(yue)時報(bao)(bao)》《自然》《科學美國人》等，都報(bao)(bao)道(dao)了這一事(shi)件，并將之評為(wei)改變世界的十個重(zhong)大科學事(shi)件之一。《華爾街日(ri)報(bao)(bao)》也以“沉(chen)寂(ji)了一千年(nian)，中(zhong)國誓回(hui)發明創新之巔”為(wei)題(ti)進(jin)行報(bao)(bao)道(dao)。
隨之，以量(liang)子(zi)衛(wei)星為(wei)代表，來自中國(guo)的一(yi)系列量(liang)子(zi)信息技術成果，也直接(jie)(jie)或(huo)者間接(jie)(jie)觸發了(le)歐洲和美(mei)(mei)國(guo)的加大投(tou)入：歐洲正式啟動(dong)了(le)量(liang)子(zi)技術旗(qi)艦項(xiang)目，美(mei)(mei)國(guo)也通過了(le)“國(guo)家量(liang)子(zi)行動(dong)法案”。
在“第二次量子革命”占有一席(xi)之(zhi)地
我們今天使(shi)用的計算機、筆記本(ben)(ben)電腦、手(shou)機的芯片，其基(ji)本(ben)(ben)的計算單(dan)元是晶體管，就(jiu)是基(ji)于(yu)量(liang)子(zi)力學中的能帶理論發(fa)明的。激光也來源(yuan)于(yu)量(liang)子(zi)力學，我們使(shi)用的硬(ying)盤、LED發(fa)光等，都依(yi)賴(lai)于(yu)量(liang)子(zi)力學。
“但是之前的這些(xie)量子技(ji)術，都是基于量子規(gui)律的宏觀(guan)應用。”陸朝陽(yang)說，最近幾十(shi)年，物(wu)理(li)學發展到新的階段，即使有百(bai)億(yi)億(yi)個(ge)光(guang)子，我們在實驗室里也可以精(jing)準地控制到一(yi)個(ge)一(yi)個(ge)的光(guang)子、一(yi)個(ge)一(yi)個(ge)的原子。
“這(zhe)些(xie)技術正在催生‘第二(er)次量子(zi)革命’的(de)(de)一(yi)(yi)些(xie)新(xin)技術，包括安(an)全通信、量子(zi)計算(suan)、精密測量等技術。”陸(lu)朝陽說，“‘第一(yi)(yi)次量子(zi)革命’，因為(wei)歷史原因，中國并沒有太多的(de)(de)參與(yu)。但現(xian)在‘第二(er)次量子(zi)革命’就(jiu)是(shi)一(yi)(yi)個非(fei)常好的(de)(de)機(ji)遇(yu)，是(shi)一(yi)(yi)個能夠使我們從之(zhi)前的(de)(de)跟隨者(zhe)、模仿者(zhe)變為(wei)引(yin)領者(zhe)的(de)(de)機(ji)會，而中國科學家已經(jing)牢牢地占有了(le)一(yi)(yi)席之(zhi)地”。
在(zai)中國建世(shi)界一流的量子實驗室
1996年，中國科學(xue)技術大學(xue)潘(pan)建偉剛去奧地利留學(xue)。
一天，潘(pan)建偉興沖沖地(di)去找他(ta)(ta)的導師安(an)東(dong)·塞林格，說(shuo)自己通過計(ji)算(suan)發現(xian)了一個有趣的理論(lun)方案(an)。講(jiang)完(wan)這個方案(an)后，安(an)東(dong)問他(ta)(ta)有沒有聽說(shuo)過“量(liang)子隱形傳態”，潘(pan)建偉說(shuo)不知道。
由于當(dang)時互聯網水平的(de)限制(zhi)和國際(ji)期刊(kan)在國內的(de)普及程度不夠，在不知(zhi)道(dao)1993年Bennett等人的(de)相關論文的(de)情況下，潘建偉重新獨(du)立推導出(chu)了量子隱形傳(chuan)態，這是(shi)量子信(xin)息中的(de)一個(ge)核心方案(an)。
從到達因(yin)斯布魯克的第一(yi)天開(kai)始，導師安東就問(wen)潘建(jian)偉(wei)：留學夢想(xiang)是什么？他回答(da)說：“要在(zai)中國建(jian)立一(yi)個(ge)世界(jie)一(yi)流的量子實驗室”。
時光飛逝，20多年(nian)過去了。在中科院、科技部(bu)(bu)、基(ji)金委(wei)、教(jiao)育部(bu)(bu)等部(bu)(bu)門的支持下，潘(pan)建偉的這(zhe)個夢想正一步(bu)步(bu)邁向現實。
“2002年(nian)，我們的團(tuan)隊只有(you)5個人。從2006年(nian)開始，很多年(nian)輕的學生被(bei)派到(dao)世界各地，在國(guo)際先進的實驗室學習新技術。”陸朝陽說，2009年(nian)，潘建(jian)偉老師剛剛參加完《復(fu)興之路》的主題展，就(jiu)激動地給(gei)幾(ji)乎所(suo)有(you)在海外的學生發(fa)了(le)一條短信，希望我們能夠回國(guo)為民族(zu)復(fu)興盡力(li)。
2011年，這(zhe)些派往海外(wai)的(de)學子基本都(dou)回到了國內(nei)。后(hou)(hou)來(lai)發(fa)生(sheng)的(de)事(shi)情有目共睹。“我們團隊主要(yao)的(de)研究(jiu)路線，是從(cong)量(liang)子基礎研究(jiu)開始(shi)，然后(hou)(hou)進(jin)入(ru)(ru)應用基礎研究(jiu)，再慢慢地把一些能夠直接應用和產業(ye)化(hua)的(de)技術投(tou)入(ru)(ru)實踐應用，反哺社會經濟發(fa)展(zhan)。”陸朝陽說(shuo)。
高水平(ping)論(lun)文數量快速增長
量(liang)子(zi)(zi)的(de)(de)糾纏，是量(liang)子(zi)(zi)通信和(he)量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)的(de)(de)基礎(chu)。“在(zai)多光(guang)子(zi)(zi)糾纏領域，我(wo)(wo)們一(yi)直(zhi)在(zai)國際(ji)上(shang)保持領先地位，目前，我(wo)(wo)們已經實現了18個光(guang)量(liang)子(zi)(zi)的(de)(de)糾纏。”陸朝陽(yang)告訴(su)記者(zhe)，利(li)用(yong)國際(ji)一(yi)路(lu)領先的(de)(de)多光(guang)子(zi)(zi)糾纏和(he)干涉技(ji)術，中國團隊在(zai)2017年實現了第一(yi)臺(tai)在(zai)“波色(se)取(qu)樣”這個特定任(ren)務上(shang)能(neng)夠超(chao)越最(zui)早期(qi)兩(liang)臺(tai)經典計算(suan)機的(de)(de)光(guang)量(liang)子(zi)(zi)計算(suan)原型(xing)機。這是邁向“量(liang)子(zi)(zi)霸權(quan)”先期(qi)基礎(chu)測試的(de)(de)一(yi)步。
“我們(men)一直在做的(de)(de)(de)不是(shi)(shi)彎(wan)道(dao)(dao)超車(che)(che)(che)，而是(shi)(shi)直道(dao)(dao)超車(che)(che)(che)。量子科學實驗衛星是(shi)(shi)直道(dao)(dao)超車(che)(che)(che)的(de)(de)(de)一個非(fei)常好的(de)(de)(de)范例。”陸(lu)朝陽(yang)說，最(zui)開(kai)始(shi)在論證的(de)(de)(de)時候，有些專(zhuan)家會問國(guo)外有沒(mei)有開(kai)展這樣的(de)(de)(de)研究。很多人的(de)(de)(de)看法是(shi)(shi)，國(guo)外開(kai)展研究了，我們(men)才開(kai)始(shi)研究。
2017年，“墨子號”實現了從(cong)北京到維也(ye)納7600公里的(de)量(liang)子保密通信。基于量(liang)子衛星和(he)“京滬干線”，我國首次描繪了天地一體化的(de)量(liang)子通信網絡藍圖。于是，很(hen)多國外的(de)機構，包括歐(ou)洲、美國研究機構，主(zhu)動(dong)找來要求加入合作項目(mu)。
“此外，我們在量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)和精(jing)密測(ce)量(liang)(liang)方面也做(zuo)了(le)比較系統的(de)布局，利用(yong)超冷(leng)原子(zi)能夠實現(xian)實用(yong)化的(de)量(liang)(liang)子(zi)模擬技(ji)術。”陸朝陽告訴記者，利用(yong)超導(dao)量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)探索和攻關通用(yong)的(de)量(liang)(liang)子(zi)計(ji)算(suan)機(ji)，目前我國團隊已(yi)經(jing)做(zuo)到(dao)了(le)12個超導(dao)量(liang)(liang)子(zi)比特(te)的(de)糾纏。
這(zhe)意味著什么(me)？在(zai)平(ping)時新(xin)聞(wen)里人們(men)可能會聽到(dao)，IBM做到(dao)了(le)50個(ge)量(liang)(liang)(liang)子比特(te)，谷(gu)歌做到(dao)了(le)72個(ge)，但(dan)他們(men)所宣稱的量(liang)(liang)(liang)子比特(te)數(shu)目還不(bu)能形成量(liang)(liang)(liang)子糾纏，也就意味著，并不(bu)能用于真(zhen)正意義(yi)上的量(liang)(liang)(liang)子計算。
2007年，《新科(ke)(ke)學(xue)家》雜志在其《中(zhong)國(guo)(guo)崛起》專(zhuan)刊里提道：“中(zhong)國(guo)(guo)科(ke)(ke)學(xue)技術大(da)學(xue)——因而也是整(zheng)個(ge)中(zhong)國(guo)(guo)——牢(lao)牢(lao)地在量子計算的世界地圖(tu)上占(zhan)據了一席之地。”
2012年(nian)(nian)(nian)，《自然(ran)》年(nian)(nian)(nian)度(du)十大(da)科(ke)技(ji)亮(liang)(liang)點中(zhong)說“標志著中(zhong)國(guo)在量子通信(xin)領域的崛起，10年(nian)(nian)(nian)前不起眼的國(guo)家，發展(zhan)為現(xian)在的世界勁旅”。之后的2013年(nian)(nian)(nian)、2015年(nian)(nian)(nian)、2017年(nian)(nian)(nian)乃至2018年(nian)(nian)(nian)，我國(guo)量子科(ke)研(yan)團隊的原創成果(guo)都分別入選國(guo)際(ji)(ji)上的重大(da)進展(zhan)：美國(guo)物理學會“2013年(nian)(nian)(nian)度(du)亮(liang)(liang)點”；英(ying)國(guo)物理學會“2015年(nian)(nian)(nian)度(du)突破”；《自然(ran)》“2017年(nian)(nian)(nian)度(du)國(guo)際(ji)(ji)重大(da)科(ke)學事(shi)件”……
從(cong)1998年(nian)開(kai)始，我國在量子信息領域高(gao)水平(ping)論文(wen)數量已(yi)經增長了80多(duo)倍。陸朝陽說，這也是新中國在科(ke)(ke)技(ji)方面的(de)巨大進步(bu)，尤其是改革開(kai)放40年(nian)里進步(bu)的(de)縮(suo)影。（科(ke)(ke)技(ji)日報 記者吳長鋒(feng)）