从量子通信到量子计算：中国在量子技术领域实现领跑
从量子通信到量子计算：中国在量子技术领域实现领跑
量子理论自1900年普朗克提出以来，经过爱因斯坦、玻尔、海森堡、薛定谔等物理学家的不断发展，形成了系统而严谨的量子力学学科。量子力学不仅颠覆了经典力学对自然界的认知，还催生了量子革命，改变了世界面貌。原子弹、芯片、激光等重大发明均源于量子力学。随着量子技术的高速发展，其在量子通信、量子计算、量子测量等领域不断取得突破，成为前沿科技发展的重要驱动力。
量子通信：基于量子物理的新型通信方式
量子通信是量子物理与信息技术相结合的产物，具有不可破译的特点，因此受到广泛关注。1993年，美国IBM公司研究人员首次设计了量子隐形传态（Quantum teleportation, QT）协议，1997年奥地利Anton Zeilinger小组实现了QT实验验证。2022年，Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger因在纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学方面的贡献而获得诺贝尔物理学奖。
量子通信通过传输量子态实现信号、信息或量子态的转移。其中，量子密钥分发（QKD）是最先实用化的量子信息技术，能实现无条件安全的密钥分发。Benett与Brassard于1984年提出的BB84协议，是首个量子密钥分发协议，利用光子的偏振态对密钥进行编码，确保密钥的不可窃性。
近年来，量子通信在理论和实验上取得了重要进展。2003年，美国建立了首个量子通信网络，2004年欧洲启动量子加密安全通信网络项目，2010年日本建立城际高速量子保密通信网络。在中国，2012年启动量子京沪干线项目，2017年实现千公里级星地双向量子纠缠分发，构建了世界上首个星地一体的广域量子通信网络。
图 1天地一体化量子网络
2024年，中国科学技术大学潘建伟院士团队实现了全天候的自由空间量子密钥分发，为构建基于量子星座的星地、星间量子通信网络奠定了基础。
量子计算：突破经典算力瓶颈的新型计算模式
量子计算是一种遵循量子力学规律的新型计算模式，以量子比特（qubit）为基本运算单元。与经典计算不同，量子计算利用量子叠加原理，可以同时存储和处理多种状态，展现出比传统计算机更快的处理速度。
量子计算的概念在20世纪80年代提出，1994年贝尔实验室的P. Shor证明了量子算法的实用性，推动了量子计算的发展。近年来，各国致力于发展性能更好和量子位更多的量子计算平台。加拿大D-Wave公司于2011年发布全球首款商用量子计算机，2017年推出的D-Wave 2000Q性能超越经典算法1000-10000倍。
在量子计算领域，IBM、谷歌、微软等互联网企业均有所布局，开发了多种量子计算平台和应用软件。中国在量子计算方面也取得了重要成就。2021年，中科院潘建伟团队研制成功62位可编程超导量子计算机“祖冲之号”和66位“祖冲之二号”，采样复杂程度超越谷歌“悬铃木”2-3个数量级。2020年，中科大研究团队成功构建76个光子的“九章”量子计算原型机，次年突破至113个光子，比超级计算机快1024倍。
图 2 “祖冲之号”量子处理器（左）“九章”光量子干涉实物图（右）
量子模拟：模拟量子系统的有效方法
量子模拟的概念由费曼于1982年提出，通过构造与目标体系等效的哈密顿量来模拟对应的系统。冷原子是一类重要的量子模拟体系，易于操控和测量，可用于多种物理体系的构建。近年来，基于超冷原子的量子模拟取得了巨大进展，彻底改变了我们探测微观系统的方式。
图 3 由光场驱动的p波Feshbach共振
图 4 光晶格中的超冷原子
量子测量：基于微观粒子量子态的精密测量技术
量子测量是量子力学的核心问题之一。与经典测量不同，量子测量会对被测系统产生影响，相同的量子系统被测量后可能会获得完全不同的结果。量子测量基于微观粒子量子态的精密测量，完成被测系统物理量的执行变换和信息输出，在测量精度、灵敏度和稳定性等方面具有明显优势。
原子干涉仪
原子干涉仪的工作原理与Mach-Zehnder光学干涉仪类似，将原子作为物质波，光脉冲作为光学元件，获得的相位差包含原子经历外场的所有信息。目前，利用原子干涉仪进行高精度重力测量的实验已达到4.2 μGal rad/s/Hz1/2的短期灵敏度，用于弱等效原理检验的实验已达到10-12的较高水平。
图 8受激拉曼跃迁和原子干涉陀螺原理图
原子陀螺
原子陀螺仪具有精度高、体积小且对加速度不敏感的优点。无自旋交换弛豫陀螺仪利用电子自旋敏感物体转动，核磁共振陀螺仪则利用磁场中原子核自旋的进动来测量旋转。
图 6 无自旋交换弛豫陀螺工作原理
图 7 核磁共振陀螺仪原理示意图
原子钟
原子钟利用原子内部电子能级间的特征跃迁频率作为时间标准，具有比天文现象更高的稳定度。目前，中性原子光晶格钟的频率稳定度已进入10-17量级，离子光钟的系统频移不确定度达到10-19量级。
图 9 原子钟基本原理示意图
图 10 光学原子钟实物
结语
量子力学的提出是人类认知的一次重大突破，几乎所有伟大的科学发现都与量子技术密切相关。随着量子技术在各个领域的不断发展，其催生的技术变革和应用正在改变世界面貌，成为前沿领域发展的基石。量子技术的持续突破将引领新一轮科技革命和产业变革。