高冷的量子物理和我們的生活有什么關(guān)系？
“其實(shí)，過(guò)去的一百多年，量子力學(xué)的發(fā)展，所催生的各種技術(shù)已經(jīng)徹底改變了我們的生活。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸朝陽(yáng)教授告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
時(shí)鐘回?fù)苤寥昵埃悄?月我國(guó)發(fā)射了世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。
國(guó)際上幾乎所有最重要的媒體，如BBC、《紐約時(shí)報(bào)》《自然》《科學(xué)美國(guó)人》等，都報(bào)道了這一事件，并將之評(píng)為改變世界的十個(gè)重大科學(xué)事件之一。《華爾街日?qǐng)?bào)》也以“沉寂了一千年，中國(guó)誓回發(fā)明創(chuàng)新之巔”為題進(jìn)行報(bào)道。
隨之，以量子衛(wèi)星為代表，來(lái)自中國(guó)的一系列量子信息技術(shù)成果，也直接或者間接觸發(fā)了歐洲和美國(guó)的加大投入：歐洲正式啟動(dòng)了量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目，美國(guó)也通過(guò)了“國(guó)家量子行動(dòng)法案”。
在“第二次量子革命”占有一席之地
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)、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(guān)應(yīng)用。”陸朝陽(yáng)說(shuō)，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，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里也可以精準(zhǔn)地控制到一個(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、量子計(jì)算、精密測(cè)量等技術(shù)。”陸朝陽(yáng)說(shuō)，“‘第一次量子革命’，因?yàn)闅v史原因，中國(guó)并沒(méi)有太多的參與。但現(xiàn)在‘第二次量子革命’就是一個(gè)非常好的機(jī)遇，是一個(gè)能夠使我們從之前的跟隨者、模仿者變?yōu)橐I(lǐng)者的機(jī)會(huì)，而中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)牢牢地占有了一席之地”。
在中國(guó)建世界一流的量子實(shí)驗(yàn)室
1996年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉剛?cè)W地利留學(xué)。
一天，潘建偉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)”，潘建偉說(shuō)不知道。
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等人的相關(guān)論文的情況下，潘建偉重新獨(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：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”。
時(shí)光飛逝，20多年過(guò)去了。在中科院、科技部、基金委、教育部等部門(mén)的支持下，潘建偉的這個(gè)夢(mèng)想正一步步邁向現(xiàn)實(shí)。
“2002年，我們的團(tuán)隊(duì)只有5個(gè)人。從2006年開(kāi)始，很多年輕的學(xué)生被派到世界各地，在國(guó)際先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)新技術(shù)。”陸朝陽(yáng)說(shuō)，2009年，潘建偉老師剛剛參加完《復(fù)興之路》的主題展，就激動(dòng)地給幾乎所有在海外的學(xué)生發(fā)了一條短信，希望我們能夠回國(guó)為民族復(fù)興盡力。
2011年，這些派往海外的學(xué)子基本都回到了國(guó)內(nèi)。后來(lái)發(fā)生的事情有目共睹。“我們團(tuán)隊(duì)主要的研究路線(xiàn)，是從量子基礎(chǔ)研究開(kāi)始，然后進(jìn)入應(yīng)用基礎(chǔ)研究，再慢慢地把一些能夠直接應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)投入實(shí)踐應(yīng)用，反哺社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。”陸朝陽(yáng)說(shuō)。
高水平論文數(shù)量快速增長(zhǎng)
量子的糾纏，是量子通信和量子計(jì)算的基礎(chǔ)。“在多光子糾纏領(lǐng)域，我們一直在國(guó)際上保持領(lǐng)先地位，目前，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了18個(gè)光量子的糾纏。”陸朝陽(yáng)告訴記者，利用國(guó)際一路領(lǐng)先的多光子糾纏和干涉技術(shù)，中國(guó)團(tuán)隊(duì)在2017年實(shí)現(xiàn)了第一臺(tái)在“波色取樣”這個(gè)特定任務(wù)上能夠超越最早期兩臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。這是邁向“量子霸權(quán)”先期基礎(chǔ)測(cè)試的一步。
“我們一直在做的不是彎道超車(chē)，而是直道超車(chē)。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是直道超車(chē)的一個(gè)非常好的范例。”陸朝陽(yáng)說(shuō)，最開(kāi)始在論證的時(shí)候，有些專(zhuān)家會(huì)問(wèn)國(guó)外有沒(méi)有開(kāi)展這樣的研究。很多人的看法是，國(guó)外開(kāi)展研究了，我們才開(kāi)始研究。
2017年，“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了從北京到維也納7600公里的量子保密通信。基于量子衛(wèi)星和“京滬干線(xiàn)”，我國(guó)首次描繪了天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)藍(lán)圖。于是，很多國(guó)外的機(jī)構(gòu)，包括歐洲、美國(guó)研究機(jī)構(gòu)，主動(dòng)找來(lái)要求加入合作項(xiàng)目。
“此外，我們?cè)诹孔佑?jì)算和精密測(cè)量方面也做了比較系統(tǒng)的布局，利用超冷原子能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化的量子模擬技術(shù)。”陸朝陽(yáng)告訴記者，利用超導(dǎo)量子計(jì)算探索和攻關(guān)通用的量子計(jì)算機(jī)，目前我國(guó)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做到了12個(gè)超導(dǎo)量子比特的糾纏。
這意味著什么？在平時(shí)新聞里人們可能會(huì)聽(tīng)到，IBM做到了50個(gè)量子比特，谷歌做到了72個(gè)，但他們所宣稱(chēng)的量子比特?cái)?shù)目還不能形成量子糾纏，也就意味著，并不能用于真正意義上的量子計(jì)算。
2007年，《新科學(xué)家》雜志在其《中國(guó)崛起》專(zhuān)刊里提道：“中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)——因而也是整個(gè)中國(guó)——牢牢地在量子計(jì)算的世界地圖上占據(jù)了一席之地。”
2012年，《自然》年度十大科技亮點(diǎn)中說(shuō)“標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，10年前不起眼的國(guó)家，發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅”。之后的2013年、2015年、2017年乃至2018年，我國(guó)量子科研團(tuán)隊(duì)的原創(chuàng)成果都分別入選國(guó)際上的重大進(jìn)展：美國(guó)物理學(xué)會(huì)“2013年度亮點(diǎn)”；英國(guó)物理學(xué)會(huì)“2015年度突破”；《自然》“2017年度國(guó)際重大科學(xué)事件”……
從1998年開(kāi)始，我國(guó)在量子信息領(lǐng)域高水平論文數(shù)量已經(jīng)增長(zhǎng)了80多倍。陸朝陽(yáng)說(shuō)，這也是新中國(guó)在科技方面的巨大進(jìn)步，尤其是改革開(kāi)放40年里進(jìn)步的縮影。（科技日?qǐng)?bào) 記者吳長(zhǎng)鋒）