2月9日，新華社播發消息，中國科學技術大學潘建偉、陳騰雲等與清華大學馬雄峰合作，首次在實驗中實現了模式匹配量子密鑰分發。
量子密鑰分發基於量子力學基本原理，可以實現理論上無條件安全的保密通信，因此一直是學術界的研究熱點。該項研究成果表明，模式匹配量子密鑰分發在不需雷射器鎖頻鎖相技術的條件下，可以實現遠距離安全成碼且在城域距離有較高成碼率，極大地降低了協議實現難度，對未來量子通信網絡構建具有重要意義。
從遙遠神秘的實驗室走來，量子科技似乎離我們又近了一步。
當前，利用量子科技認識和改造世界的浪潮在世界範圍內蓬勃興起。量子科技將給世界帶來怎樣的變化？請看——
量子「風暴」，方興未艾
您還以為量子科技是近些年才出現的新技術？其實，量子科技與量子力學相伴相生。1900年，德國物理學家普朗克提出量子概念，隨後，海森堡、薛丁格、玻爾等一批天才科學家奠定了量子力學的理論框架，量子時代就這樣開啟了。量子力學建立後，催生和發展起來一系列科學與技術，直接或間接改變和提升著人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。
您還以為量子科技是遙不可及的「玄」技術？事實上，量子科技早已並將持續造福人類社會。電晶體、雷射器、核聚變、核磁共振、全球定位系統以及無處不在的電腦和網際網路……這些改變時代的技術都是量子科技的產物。如果說電晶體是計算機的基礎，雷射技術是網際網路的基礎，那麼量子力學直接催生了現代信息技術的發展。
了解量子科技之前，須先了解量子的一些詭異特性：「分身術」——量子疊加，即一個量子可以同時存在好幾種狀態；「遠程心靈感應」——量子糾纏，糾纏的量子如同一對有心靈感應的雙胞胎一樣。同時，量子還很「古怪」——不可分割和不可克隆。劉慈欣在小說《球狀閃電》中這樣描寫量子現象：「不看，它就存在；看了，它就消失」。
量子力學是複雜的。百年來，量子力學一直難以被大眾理解，甚至連它的創造者本身都難以駕馭。微觀尺度的量子世界具有「不確定性」「重疊性」「不可觀測性」等，這些都有悖我們對於世界是「客觀的」「有規律的」「可描述的」等常識認知。
量子力學的觀念卻又是革命的。量子力學和相對論的出現，推翻了由牛頓、胡克等科學家構建的經典物理學體系。量子力學給世界帶來了前所未有的衝擊和震撼，以至於許多科學家在內心對其充滿懷疑與畏懼。
然而，量子力學與經典技術從來都不是相互對抗的。相反，在它們相互交融的過程中，量子力學為經典技術指明了嶄新的方向。21世紀以來，科學家不僅利用量子載體推動經典技術的革新，掀起一輪又一輪量子「風暴」；他們還反過來利用不斷發展的經典技術，實現對單個光子、電子、原子、分子等量子載體的探測和操縱，從而促進量子理論的發展。
量子力學先驅玻爾曾說：「不為量子論所震驚者，必然不理解量子論。」現在，我們或許可以說：不為量子科技所震驚者，必然不了解量子科技。量子科技的發展誕生了一系列顛覆傳統認知的科學發現和科技發明，逐漸成為經濟社會跨越式發展、軍事武器顛覆性進步的基石與動力。
量子科技將成為新一輪科技革命和產業變革的前沿陣地，全局性整合量子科技資源、集中力量突破發力，已在全球形成廣泛共識。各國紛紛出台支持量子技術研發的重大計劃、倡議和發展政策，如美國量子「登月計劃」、歐盟「量子宣言」旗艦計劃、英國「國家量子技術計劃」、日本「量子司令部機構」等，旨在從國家戰略層面體系化推動量子科技發展。
顛覆經典，超越極限
憑藉神奇基因，量子力學「天生」就從原理上顛覆了一些經典學科。當量子物理學與信息科學交叉融合，便產生了量子信息技術。這門新學科直接引發了第二次量子革命，其代表領域是：量子計算、量子通信與量子精密測量。
量子計算具有足以顛覆經典計算的能力。與非0即1的經典比特不同，量子計算採用「量子比特」，可同時處理0和1。因而量子計算機「九章」一分鐘完成的任務，超級計算機「富岳」需要花費一億年！這不是1到100的提升，而是從「蠟燭」到「電燈」的顛覆。當今人類社會正朝著「數智時代」前進，經典計算機的速度將碰到「天花板」。後摩爾時代，經典計算機最有力的競爭者就是量子計算機。科學家們預言，當可以精確操縱的量子比特超過一定數目時，量子計算機的能力將會遠超任何一台經典計算機。
量子計算是量子科技中關注度最高的領域，各國正在從包括量子硬體建設、量子軟體建設、量子控制、量子云服務等不同領域發力，聚合體系化發展。2019年IBM首先實現了50量子比特計算機「IBM-Q」，53量子比特的「懸鈴木」（Sycamore）緊隨其後。我國是目前唯一在光量子和超導量子兩種物理體系都實現這一關鍵技術突破的國家，以「九章號」「祖沖之號」為代表的計算原型機先後實現「量子計算優越性」，立起新的里程碑。
量子保密通信相對於傳統保密通信，理論上來看是絕對安全的。量子通信是基於量子疊加態或量子糾纏效應，通過量子隱形傳播、量子密鑰分發等技術手段，實現量子態信息傳輸或者量子保密通信。量子力學中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理使得通信「永不泄密」成為可能。
對於廣域量子通信，目前國際上形成三種發展路線圖：一是通過光纖實現城域量子通信；二是通過中繼實現城際量子通信；三是通過衛星實現更遠距離量子通信。歐盟等國20世紀90年代起就開始對量子通信進行研究和開發，21世紀後多國已建立城域實驗網，通信距離超過上百公里。我國於2016年發射了世界上首顆量子衛星「墨子號」，填補了第三種路線圖的空白。2022年6月，「墨子號」首次實現了地球上兩個相距1200公里地面站間的量子態遠程傳輸，向構建全球化量子通信網絡邁出重要一步。
量子精密測量更是遠遠超越了經典測量的極限。量子精密測量以量子為「尺子」，利用微觀粒子（光子、原子、離子）的量子態進行製備、操控、測量和讀取，實現對角速度、重力場、磁場、頻率等物理量的超高精度「寫真」。神奇的是，量子世界裡測量結果是隨機的，物體的狀態也會在測量時突然改變，然而，量子精密測量卻使人類得以在精密測量領域實現躍遷。比如，1967年銫原子鐘重新定義了「秒」；2010年鋁離子光鍾達到37億年誤差不超過1秒的驚人水平……原子鐘已經從科學幻想，一步步成了航空航天等領域的重要支撐。
量子精密測量極大地提高了測量精度、穩定性和靈敏度，它不易受環境干擾，且無須校準。科學家們預言，量子精密測量未來可能徹底改變現有測量儀器儀表的形態。目前，各國科學家正在積極開發量子超分辨顯微鏡、量子磁力計、量子陀螺儀等，許多成果已經應用在材料、地質、生物等相關研究中。
重塑世界，潛能無限
2022年10月，諾貝爾物理學獎頒發給了三位量子信息科學領域的科學家——阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·塞林格，以表彰他們在量子信息科學方面作出的突出貢獻，同時也激發了全球對量子科技的聚焦關注和謀劃攻關。人們不禁開始思考，量子科技將以怎樣的姿態改寫未來世界？
毫無疑問，量子科技必將造福國計民生。量子科技將在密碼保護、城市規劃、道路設計、氣象預測、金融分析、戰略認知、新藥物研發等領域，打開全新圖景。同時，量子科技也會深刻影響納米成像、室溫超導體研發、先進農業、能源開發、人工智慧等領域。如今，量子科技給人類帶來的幫助已經初見端倪。2022年，日本成功利用基於金剛石的量子傳感器磁力計探測心臟中的異常磁信號。這意味著，心磁圖或將取代精度不高的心電圖，從而更有效地治療心血管疾病。許多科學家相信，隨著量子科技在醫學領域不斷發展，越來越多的不治之症將被攻克。
量子科技將重塑戰爭面貌。克勞塞維茨曾說：「要想通曉戰爭，必須審視每個特定時代的主要特徵。」信息化、智能化的未來戰場上，可能會出現這樣的場景：決策機構通過量子優化算法進行戰爭預測、仿真推演、大規模任務規劃、資源規劃等；指揮人員利用裝載了人工智慧的量子計算機，快速分析海量戰場數據，並進行智能決策；戰場上，量子通信將打造牢不可破的新型軍事通信網，全域搜索、智能識別、網狀火力殺傷將基於絕對信息安全生成新型一體化作戰模式；此外，量子傳感和精密測量將重寫戰場精度，量子雷達將徹底終結隱身戰機時代……
更多的科學家，則將目光投向未知疆域。他們認為，量子科技更重要的意義在於，它能加深人們對於自身的理解，揭示自然界演進規律的秘密，幫助人類探索太空、深海、地心等更廣袤的空間，接近浩渺宇宙中無法觸及的謎團。2021年加拿大和英國科學家利用量子模擬，首次模擬了基本量子粒子——重子；2022年我國科學家首次在處於強相互作用極限下的費米超流體中測得神秘的「第二聲」的衰減率……這些對「宇宙參數密碼本」的一步步破譯，甚至有望支持我們探索遙不可及的中子星，了解宇宙在大爆炸之初的情況。
上圖：即將問世的「悟空」量子計算機外景。
下圖：電影《流浪地球2》中的量子計算機MOSS。 資料圖片（■鍾 軍 張 媛 王妍妍）