北京大学郭弘教授：神奇的量子技术

目前，科学界公认，“量子”一词最早是1900年由德国物理学家马克斯·普朗克为解决黑体辐射“紫外灾难”理论难题而引入的概念。后来，在科学家的倡议下，每年4月14日被定为“世界量子日”（普朗克常数=4.135667696×10^-15 eV·s，四舍五入为4.14）。其实，“量子”一词早在19世纪就已出现，亥姆赫兹、玻尔兹曼等物理学家都曾在统计力学研究中提出过最小能量单元（“量子”）的概念。由于当时的物理学家们普遍相信，任何事物，包括能量，都是“连续的”，即无限可分的，因此，为解决黑体辐射难题而做出的“量子”假设，即，能量不是无限可分，而是只能被分割到一个最小单元——“能量量子”的假设，就成为物理学家基本思想观念上的一个革命性的创新。

需要说明的是，当时业已功成名就的普朗克提出“量子”假设仅是解决黑体辐射难题的权宜之计（至少他本人这么认为——应该说，他本人始终是一个坚定的经典而非量子物理学家）。但当时和之后的一批青年物理学家却将“量子”概念推广到更广泛的研究，并成功解释了光电效应（爱因斯坦）、氢原子光谱（玻尔）、弗兰克-赫兹实验、斯特恩-盖拉赫实验等一系列物理现象。1925年，海森堡方程的提出标志着区别于经典物理学的新力学——量子力学的诞生（100年后的2025年被联合国教科文组织定为“国际量子年”，有趣的是，“量子力学”这个词却是在1924年由玻恩首先提出的）。

此后，物理学家们迅速建立起了较为完整的量子力学理论体系，并以此为基础，进一步发展出量子电动力学、量子场论、量子电子学、量子光学等一系列以“量子”为基础的新学科。随着20世纪前三十年“量子”科学的迅猛发展，在其后六十年中，催生了一大批“量子”技术，使得20世纪成为“量子”科学发展、技术突破和实际应用的世纪。

近八十年来，“量子”已经带来了覆盖信息（激光、半导体、超导）、能源（量子与相对论结合的产物——核能）、生物医学（核磁共振成像）等广泛领域的技术革命，给人类生活方式带来了重大改变。

其中，还有一个非常重要但常被忽视的“量子频标技术”（常被称为“原子钟”技术，其实二者有一定差异）——以1967年以铯原子基态能级来确定的“秒定义”为标志，人类在频率、时间等最基本物理量的测量已经进入“量子”时代。事实上，如果没有“量子频标”技术，今天我们甚至都无法听到“北京时间”的播报，更无法实现以此为核心基础所发展的全球卫星导航定位。

更进一步，2018年，在国际计量大会上，全世界各主要国家计量届的代表投票通过决议——从2019年5月20日起，国际单位制的七个基本物理量（因此也包括所有物理量）的计量都将溯源到七个基本物理常数，从而使所有物理量的测量都直接可以频率测量为基础，而频率测量技术就是人类迄今为止最精确的测量技术——量子频标技术。也就是说，人类的计量已经全面进入了“量子化”时代。

可见，今天的人类，在信息、能源、材料，乃至生命健康等方面，实际上都已经离不开“量子”了。

事实上，始于20世纪50年代的激光、原子钟、半导体、核磁共振等最早期的量子技术，也被称为“量子电子学”技术，属于“第一次量子革命”的技术。随着激光技术的蓬勃发展，各类高相干性、高功率激光相继出现，催生了非线性光学和量子光学的诞生，使人类发现了光子纠缠、光场高阶相干、非经典光场等一系列独特的量子现象。伴随而来的，是多光子之间，光子与微观粒子之间，实物粒子之间量子纠缠的实现。其实，作为量子相干性之一的量子纠缠早在20世纪30年代就已被物理学家热烈地讨论过，但是受当时技术所限，始终难以在实验上实现。技术进步带来的量子纠缠的实现，使得人们有望进一步去探究基于多粒子量子纠缠的量子计算，理论上讲，其在存储和计算速度上可以达到经典的存储、计算的N倍（N是纠缠粒子的数目）。不难想象，当粒子数足够大时，这种以指数方式的能力增长将是何等的惊人！

另一方面，激光技术的发展也为人类去探索单光子/单粒子状态，以及非经典光场态成为可能。同时，在理想单光子（单粒子）状态或者非经典/近经典光场态（如，压缩态光场或相干态/混合相干态）下，理论上绝对安全的保密通信将成为可能。

以量子纠缠、单量子态等为基础的量子技术，主要包括量子通信、量子计算等，被称为“第二次量子革命”的技术。

量子通信主要是指量子密钥分发。严格地讲，它并非通信，而是利用量子技术实现“理论上绝对安全”的密钥生成和分发，从而保证下一步用密钥进行加密通信时的“绝对安全”。另外，量子通信还包括量子安全直接通信技术，以及量子态隐形传输技术。

量子计算包括基于多粒子量子纠缠的量子计算机的实现，又被称为“通用量子计算”；以及基于非量子纠缠的量子效应或原理的量子模拟系统的实现，又被称为“专用量子计算”。目前，这二者常被混淆，严格讲，更多的量子计算专业人士在做的是量子模拟，而非量子计算，但目前均称为量子计算。

需要指出的是，量子通信和量子计算的核心技术不仅有“第二次量子革命”的技术，而且也有“第一次量子革命”的技术。另外，基于量子纠缠态或非经典态（量子热场态）的量子成像技术和量子计量技术也在发展中。目前，“第二次量子革命”的技术仍在不断发展中，真正能达成其追求目标的应用尚需时日；“第一次量子革命”的技术实际上已被广泛应用，例如，激光、半导体及其所支撑的信息、医疗、能源等领域的一系列技术，以及原子钟和全球卫星导航定位技术。

“第一次量子革命”还催生了一系列被称为“量子传感”和“量子感知”的技术，包括量子磁传感、量子重力仪、量子陀螺仪等。例如，量子磁传感主要是利用量子技术实现极微弱磁信号的物理传感，其发展已有七十年的历史，已有和潜在的应用非常广泛，涉及进行生物医疗、矿产勘探、地质勘探、考古勘探、空间探索、基础物理、国防安全等多方面。量子感知是以量子传感为物理基础和必要条件（硬），结合包括AI在内的信息处理技术（软），最终实现对待测目标及环境的感知。目前，该领域发展方兴未艾，未来可期。

目前，从量子技术的应用上讲，我国在量子磁探测及其在国防与生物医学方面的应用、量子时频传递及其在卫星导航的备份和延拓方面的应用，以及光量子陀螺仪及其在自主导航方面的应用等均处于与世界最高水平持平或部分领先的水平；从基础研究上讲，我国在星地量子通信、基于光子纠缠的量子计算等方面甚至处于世界最高水平。北京大学现有若干开展量子基础研究和应用研究的团队，其中，基础研究水平处于国内第一梯队，面向国家重大战略需求的量子技术团队在量子磁探测、量子时频传递等方面均达到国际领先或先进水平，成果已两次入选“国家先进科技十大进展”和国家“十二五”科技创新成就展。