量子科技是什么？不是什么？ | 袁岚峰

合集 · 解读科技问题 (79)

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看过前面文章的朋友们，应该都记住了有一个基础物理学理论叫做量子力学（quantum mechanics），它是1900年起源的。但这样一来，立刻就会产生一个问题：原来量子这个词完全不是个新词啊，它已经有一百多年的历史了！那为什么它近年来在媒体中变得如此火热呢？为什么政府工作报告中还经常把“量子科技”称为“未来产业”呢？
答案非常有趣，量子科技这个词，可能指几种不同的意思。
最广泛的意思，自然是与量子力学有关的科技。但我们在前面几期说过，几乎没有一个科技是跟量子力学没有关系的。当你用电的时候，你就用到了量子力学，因为导电性必须用量子力学（能带理论）才能解释。甚至当你用到固体的时候，你就已经在用量子力学，因为要深入到量子力学（泡利不相容原理），才能解释世界上为什么会存在固体。更神奇的是，当你用到原子的时候，你就在用量子力学，因为只有量子力学（电子能量的量子化），才能解释原子的稳定存在。
所以按照这样的内涵，你很快就会发现，几乎所有的科技都是量子科技。这个含义太广了，一个无所不包的名称就失去了意义，所以很少有人会在这个意义上使用“量子科技”这个词。
下面是一个真正的重点。媒体现在报道的量子科技，十有八九指的是一门新学科：量子信息（quantum information）。它比量子力学年轻得多，是二十世纪八十年代才出现的。量子信息作为一门学科很年轻，作为产业就更年轻，还远远没到成为社会支柱性产业的时候。但它确实具有这样的潜力，而且有希望成为战略性、颠覆性、革命性的产业，这就是为什么，政府工作报告中把它称为未来产业。
那么，量子信息究竟是什么呢？它是一门交叉学科，量子力学与信息科学的嫁接。为什么这两个要结合到一起呢？因为科学家们发现，用量子力学的原理，有可能实现一些传统信息科学无法实现的效果。
例如什么呢？例如传送术。是的，科幻影视中的传送术，在某种意义上变成了一个真实的技术！它的专业名称叫做“量子隐形传态”（quantum teleportation），实际的效果是把一个粒子的状态传到远处的另一个粒子上。
以后我们会详细介绍量子隐形传态，在这里只是简单地提一句：2022年诺贝尔物理学奖获得者安东·塞林格（Anton Zeilinger）获奖的原因之一，就是他的研究组在1997年第一次实现了量子隐形传态，而他当时的博士生潘建伟就是那篇论文的第二作者。
量子隐形传态大概是量子信息所有应用中最具科幻色彩的一个，量子信息还有很多非常震撼的应用。例如“不可破解的密码”，学过密码学的人都知道，这是密码学的终极追求，人类追寻了两千多年都不得其门而入。历史上很多曾被认为不可破解的密码结果都被破解了，例如纳粹德国的“奇谜”（ENIGMA）。
然而用量子力学的方法，我们真的可以设计出一种绝不可能被数学破解的密码体系。这个方法叫做量子保密通信或者量子密码（quantum cryptography），它的起源叫做BB84协议，因为它是两个姓氏首字母为B的科学家在1984年提出来的。具体方法以后我们再介绍，在这里只是先告诉大家，用量子力学有可能实现密码学的终极梦想，这是“它山之石可以攻玉”的一个惊人例子。
另一个例子，就是现在大火的量子计算（quantum computing）。即使是对量子力学一无所知的人，可能也都听说了量子计算机是现在最热的投资领域之一。这个领域热得甚至都有点过了，以至于许多量子计算研究者都出来说大家不要炒作，要理性认识，健康发展。
量子计算机的目标是什么呢？当然就是更强的算力。然而，它跟现在用的计算机即经典计算机有个本质的区别。经典计算机如果升级换代，就是算什么问题都比以前快，例如486干什么都比386快。而量子计算机不是这样，它只对某些特定的问题比经典计算机快，而不是所有问题。不过，这些特定的问题里已经有一些非常重要的，例如密码破解、天气预报、材料设计、交通管理等等。因此，量子计算的潜力极其巨大，许多国家和企业都在争先恐后地投入。
在前面举的这些例子中，量子隐形传态和量子密码都属于量子通信（quantum communication），它和量子计算是量子信息的两个分支领域。其实，量子信息还有一个分支：量子精密测量（quantum metrology）。顾名思义，量子精密测量就是用量子力学的方法，提高对某些物理量的测量精度。
能提到多高呢？一个例子是9个量级，即十亿倍的改进。我们前面说了，一束光是由很多个光子组成的。我们现在用的相机，大约需要十亿个光子才能成一个像素点。然而2018年以来，潘建伟院士、徐飞虎教授研究组开发了一种单光子相机系统，只需要一两个光子就能成一个像素点，这是9个量级的进步！