党的二十大报告里，提到多项科技创新关键核心技术。其中，“量子信息”赫然在列，有些眼生。事实上，这一直击微观世界的基础理论探索，已成全球必争之地。

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量子饮用水、量子秋裤、量子排毒、量子锅铲……“量子”二字曾以其在公众眼中的“高科技标签”，被动参与了众多“忽悠”。

许多人不知道的是，如今科学界，已经逐步进入“第二次量子革命”。

如果说“第一次量子革命”是人类对已经存在的现象进行探究、应用，那么正在逐步转入的“第二次”，其核心在于科学家在认知基础上，主动打造形成更多量子器件。

9年前，英国政府在《2013年秋季声明》中宣布，将投资2.7亿英镑设立英国国家量子技术计划，同时成立量子技术战略顾问委员会。此举的目的是在接下来的20年里对新的量子工作和投资予以指导，帮助量子科技产业扎根英国，并带来盈利、增长和可持续发展。

越来越多的国家将其置于国家科学发展战略的顶层设计。诸多令人惊叹的实践表明，在当下及未来，量子信息技术这一“工具”正带来无限可能。能否把握住“第二次量子革命”的契机，成为国家间创新之战的赛点之一。

“第二次量子革命”

从被动转向主动

量子信息是以量子物理学为基础的新一代信息科学，主要包含两个方面：一个是信息的传输，即量子通信。另一个是信息的处理，即量子计算。

上溯量子信息科学的“族谱”——

20世纪初，普朗克、爱因斯坦、玻尔开创了量子物理学研究。随后，海森堡、薛定谔、狄拉克等物理学人建立了量子力学。从此，量子物理学沿着两条路深刻地推动着人类文明发展。

一条路是“自上而下”的，即不断深入微观世界探索基本粒子。经常听到的“高能物理(即粒子物理)”“大统一理论”“大型强子对撞机”等就是来自这领域。

另一条路是“自下而上”的，指认识身边的各种物质背后的量子力学规律，并在此基础上发展各种高新技术来改变世界。人们已经熟悉的“凝聚态物理”“半导体”“激光”“超导体”“纳米材料”等，就在其中。这条路线曾通过半导体技术催生了第一次量子革命，使我们今天能便捷地使用各种计算机、智能手机和互联网。

然而，这次量子革命仍属于“经典信息”的革命，虽然用到量子力学才能理解半导体和激光的本质与工作原理，但处理的对象还是经典的二进制信息(即经典比特)。信息传输和计算都基于经典物理学。

随着量子信息科学技术的诞生，这条路线逐渐转入新的方向，催生着第二次信息革命的发端，即属于“量子信息”的革命。信息传输和计算都将直接基于量子物理学，处理量子比特。

根据量子理论，量子是最小的、不可再分割的能量单位。中学物理书上提到的分子、原子、电子，其实都是量子的不同形式。在日常生活的宏观世界里，物体的位置、速度等，都可以通过经典力学精确测算。在微观量子世界里，却有着截然不同的奇妙规则，其中最有代表性的是“叠加”与“纠缠”。

宏观世界里，任何物体在某一时刻都有确定的状态和位置。在微观世界，量子却同时处于多种状态和多个位置的“叠加”。物理学家薛定谔曾用一只猫比喻量子叠加：箱子里有一只猫，在宏观世界中它要么是活的，要么是死的。但在量子世界中，它可以同时处于生和死两种状态的叠加。

与此同时，量子的状态还经不起“看”：如果你去测量，它就会从多个状态、多个位置，变成一个确定的状态和位置了。也就是说，如果打开“薛定谔的箱子”，猫的叠加状态就会消失，你会看到一只活猫或一只死猫。

更为有趣的是，根据量子理论，如果两个量子之间形成“纠缠态”，那么无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个也会“瞬间”发生相应变化。爱因斯坦曾把这一现象称作“鬼魅般的超距作用”。

正在发生的“第二次量子革命”，即科学界从被动转向主动，利用量子信息科学的丰厚成果，开发出量子通信、量子计算等创新应用。

量子通信

第一个突破点

“第二次量子革命”的突破性在于，量子通信可以在理论上做到通信的绝对保密，量子计算可以令人类的运算能力实现指数级增长，如传统计算机需要数万年才能破解的复杂密码，量子计算机在几秒钟内就能破解。传统测量技术最小只能探测到微米量级，而量子测量可以进一步精细千倍、万倍达到原子量级。

当测量“工具”精度达到新的极限，人类观察世界的视野就会变得不同。举例来说，现在医院核磁共振设备，可以观察直径一毫米的人体组织，而量子前沿研究领域，精度缩小到10纳米，甚至可以直接观察一个微小的肝癌细胞。

其中，量子通信作为排头兵，走在了这次量子革命的最前面，成为它的第一个突破点。

让我们暂时将视线转向几千年前——在古希腊时代，斯巴达人将一张皮革包裹在特定尺径的棍子上以后，再写上需要传递的信息。由此，信息的接收者只需有根同等尺径的棍子，收到皮革后将其裹到棍子上，就可以读出原始信息。即便这张皮革中途被截走，只要对方不知道棍子的尺径，所看到的也只是一些零乱而无用的符号。这是历史上记载的人类最早对信息进行加密的方法之一。可以看出，保密性和安全性，始终是人类对于通信的核心需求。

传统的数学计算加密方法都是可以被破译的，再复杂的数学密钥也可以找到规律。第一台现代计算机，就是为破解复杂的数学密码而诞生的。随着计算机的飞速发展，破译数学密码的难度也逐渐降低，信息安全面临的挑战随之上升。幸运的是，量子理论为人类追求信息的绝对安全打开了一扇窗。

20世纪初的实验发现，能量或物质细小到一定限度，就无法被准确测量了(测不准原理)。因为测量意味着干涉，当被测量物微小到极限，就不可能不被测量完全改变。理论上完美到极致的显微镜，对于一个量子级别的粒子同样束手无策，因为一“碰”就毁坏了粒子的待测状态。

基于以上原理，科学家们提出量子密码的概念。这一概念还来源于一个有趣的故事。20世纪70年代，哥伦比亚大学一位年轻学者提出防范伪钞的量子货币的概念。根据他的理论，量子货币无法复制，一旦被复制就会损坏。不久，他把自己的想法写成论文投给一家专业杂志。杂志编辑认为是天方夜谭，作退稿处理。20世纪80年代初，美国密码专家彼尼特和一位加拿大密码学家研究了这位年轻人的设想，发现可以据此建立量子密码，BB84量子密码方案随之问世。这也是目前国际上使用最多的量子密钥方案之一。

此后，量子密码被应用于量子通信系统中。所谓“量子通信”，是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式。

那个曾被爱因斯坦称作“鬼魅般的超距作用”的“量子纠缠”特性，在现实世界逐步得到应用，引起巨大变革。

除可靠的安全性外，量子通信的突出优点还包括可消除线路时延，实现最快通信，可保证大容量、远距离传输等。

这些优点听来的确鼓舞人心。不过，超长距离的量子通信仍面临着诸多挑战。在这场国际化竞争中，中国科学家虽属后来者，但取得的成绩已令世界刮目相看。《自然》杂志曾评论，在量子通信领域，中国用了不到10年时间，由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅。

各国抢占

未来技术制高点

这个月宣布的2022年度诺贝尔物理学奖得主是量子科技领域的科学家，在诺奖对这一学科应用的官方介绍中，大量引用了中国科研团队的成果与贡献，并出现了“墨子号”的身影。后者是我国自主研发的全球首颗量子科学实验卫星，于2016年发射。

作为保障未来信息社会发展的关键技术，量子信息科学领域成为全球学界的焦点。

近年来，美国对量子科技的重视有增无减。2018年9月，美国政府正式提出了量子战略，宣布将成立多个国家级实验室，投入大量资金到量子技术研究项目。2018年12月，美国国会正式通过了国家量子计划法案，该法案提出美国要制订一个为期10年的“国家量子计划”，以加快美国在量子计算领域的发展。

早在20世纪90年代，欧盟就意识到量子科技的巨大潜力。作为量子理论的发源地，欧洲高度重视量子信息技术对国家安全、经济、社会发展等方面的影响，投入资源大力发展相关技术。然而，由于研究成果碎片化等原因，它面临着被其他国家赶超的情况。因此，在2016年4月，欧盟委员会发布了《量子宣言(草案)》，于2018年启动资金量为10亿欧元的量子技术旗舰项目，希望借此促进量子技术在欧盟的发展。量子技术旗舰项目将主攻通信、计算、传感和模拟这4个方面的量子技术。该项目启动后，匈牙利、奥地利和德国也深度参与。其中，德国打算开展为期10年、总投资额约3亿欧元，名称为“QUTEGA”的量子研究计划。

日本对量子信息技术也十分关注，无论是政府部门还是私营企业，都在量子信息技术发展方面超前布局、大力发展。首先是政府层面的大力支持鼓励。日本邮政省自2000年开始便开发量子通信技术，并将该技术作为国家级高技术研究开发计划之一，10年内投资约400亿日元，采取产学官联合攻关的方式向前推进。日本富士通公司计划在3年时间里对相关技术投入500亿日元(约合4.5亿美元)，推动量子信息技术研究。

从各国战略计划看，无论是美国政、企、校联合展开研制的量子互联网，还是欧盟联合12个成员国发展的基于量子中继和卫星的自由空间量子通信链，抑或是日本计划中“2040年建成极限容量、无条件安全”的量子通信网络，各国抢占量子通信未来制高点的意图已十分清晰。

（文章来源：解放日报）

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