[科学技术]潘建伟院士：新量子革命助力中国成为信息技术引领者

20世纪90年代以来，对量子力学基本问题的深入研究和量子控制技术的巨大进步催生了量子信息科学这一新学科，成为近年来物理学中最活跃的研究前沿之一。

“量子物体的状态会受到测量的影响，这带来了一个革命性的想法，即观察者的行为会影响系统的演化。”在中国科学院第19届院士大会第六次年会上，中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟介绍了从量子物理基础检验到量子信息技术的新量子革命。

两次量子革命带来的变化

牛顿的力学理论带来了第一次科学革命，但是经典物理的决定论却有一个困境——所有事件都是在BIGBANG中确定的吗？个人努力还有意义吗？

潘建伟引用霍金的话:“即使是相信一切都是命中注定的人，过马路也会东张西望”。他解释说:“虽然大家都对牛顿力学理论的成就非常满意，但我们对它的决定论有很深的怀疑。”

怀疑促成了量子力学的建立。20世纪初，随着量子力学的建立，第一次量子革命诞生了，它使人类在能源、信息、材料和生命等科学领域获得了空之前的发展。

然而，许多基于第一次量子革命成果的重要工业领域已经逐渐接近其技术极限，其进一步发展遇到了严重障碍。

潘建伟说:“通常人们可以使用身份认证、传输加密、数字认证等手段来保证信息安全。但是，一旦你有了足够强大的计算能力，所有依赖计算复杂度的加密算法原则上都将被破解。”

同时，在大数据时代，人类对计算能力的需求日益增加，但目前的计算能力非常有限。比如全世界的总计算能力无法在一年内完成280个数据的穷举搜索。同时，随着晶体管尺寸接近纳米级，量子效应将起主导作用，晶体管的电路原理将不再适用。

幸运的是，量子力学的发展为解决这些重要问题做好了准备。

潘建伟说，1935年，爱因斯坦等人指出，量子纠缠所体现的量子非局域性与作为经典物理基本概念的局域实在论之间存在尖锐矛盾。1964年，约翰.贝尔提出了贝尔不等式，为检验量子非局域性和局域现实主义之间的矛盾提供了一个可量化的方案。此后，世界各国学者对贝尔不等式进行了大量的实验研究，验证了量子力学非局域性的正确性。

作为量子控制技术的系统应用，量子信息技术可以突破经典技术在保证信息安全、提高运算速度和提高测量精度方面的瓶颈。量子控制和量子信息技术的快速发展标志着第二次量子革命的兴起。

中国的量子通信技术处于国际领先地位

“发展量子通信技术的最终目标是建立一个全国性乃至全球性的量子通信网络系统。”潘建伟说。

目前国际上公认的量子通信可行方式有两种:一种是使用中继器(包括可信中继和量子中继)进行分段传输；另一种是利用卫星传输进行自由空单光子传输，从而实现数千公里甚至全球的量子通信。

目前，中国在发展量子通信技术的研究和应用方面处于国际领先水平。为了建设广域量子通信系统，我国已建成首个1000公里的广域量子保密通信骨干网“京沪干线”。

与此同时，经过近10年的努力，科学家已经能够使用低轨道卫星进行量子通信。

2016年，在中科院战略科技先导项目的支持下，世界首颗量子科学实验卫星墨子成功实现了三个既定的科学目标，率先实现了数千公里的双向量子纠缠分配、数千公里的高速量子密钥分配和数千公里的地球恒星瞬移。

潘建伟说:“去年我们每秒可以生成1000个密钥，最近有了很大的提高。现在我们可以更稳定地每秒生成10万个密钥。”

量子通信将与经典通信网络相连接

“根据量子信息技术的发展趋势，通过10 ~ 15年的努力，有望在量子通信领域构建一个完整的空地面集成广域量子通信网络技术体系，推动量子通信技术在国防、政务、金融和能源领域的发展。潘建伟说，在该领域广泛应用，实现量子通信网络与经典通信网络的无缝连接，以形成具有国际领先地位的战略性新兴产业和下一代。

同时，他表示，基于广域的量子通信网络还将为建设大规模、高精度的时频传输网络，进行量子力学非局域性的终极测试，以及在空.外滩进行广义相对论、量子力学与引力相结合等基本物理原理的测试提供条件

在量子精密测量领域，有望突破与导航、医学检验、科学研究等领域密切相关的一系列量子精密测量关键技术，完成一批重要的量子精密测量设备和系统的研制，如高精度光学时钟、远距离频率传输系统、原子陀螺仪等。

“以量子信息技术为代表的第二次量子革命，为中国提供了一个从经典信息技术时代的追随者和模仿者，转变为未来信息技术的领导者的机会。量子力学从最基础的研究开始，逐渐发展成为精湛的技术和实用的研究。实际开发的技术也可用于支持量子力学非局域性测试和量子引力测试的研究。因此，对基础研究的肯定在任何时候都不为过。”潘建伟说。