走进新量子革命

    近年来，科学技术取得了飞速发展，物理学的各个分支也获得了举世瞩目的成就。历史的经验告诉我们，只有把握前沿、紧跟时代潮流，才能获得长足发展。接下来，让我们一起领略量子信息科技的大厦，走进新量子革命。
    二十世纪物理学史上最重要的成就之一是量子力学的创立。量子力学揭示了经典物理学规律只是量子规律在宏观条件下的近似，世界本质上是量子的，微观物理系统的状态和其动力学特性必须在量子力学下才能完整描述，而物理量的测量结果是概率的、统计性的，而不应是简单的拉普拉斯决定论的。量子力学通过一整套自洽的理论框架和数学结构，改变了我们对自然界的描述方法，也大大加深了我们对自然界本质的认识。
    二十世纪另一项对人类社会影响深远的科技进步是信息与通信技术。信息与通信技术、信息论和物理学存在着深刻、密切的联系。信息必须以一定的物理态作为载体才能进行表示、传输、存储和处理。因此，人们对信息的利用能力依赖着我们对物理系统的操控能力。随着人们对量子系统操控能力的不断增强，人们将信息编码在量子态上，信息的存储、传输和处理方式发生了根本性的变革，由此便诞生了量子信息学。
    量子信息学是指研究应用量子系统进行信息编码、传输、处理和提取的一门学科。具体来说，在量子信息学中，信息由量子态进行表征，信息传输是指在量子信道中传送量子态，信息处理则是量子态的受控演化，信息提取则需通过对量子系统执行量子测量。其应用主要包含以下三个领域:量子通信、量子计算和量子精密测量。
    量子通信是指利用量子力学基本原理或基于物质量子特性的通信技术。量子通信的最大优点是其具有理论上的无条件安全性和高效性。理论上无条件安全性是指在理论上可以证明，即使攻击者具有无限的计算资源和任意物理学容许的信道窃听手段，量子通信仍可保证通信双方安全地交换信息；高效性是利用量子态的叠加性和纠缠特性，有望以超越经典通信极限的条件下传输和处理信息。因此，量子通信对金融、电信、军事等领域有极其重要的意义，并在实际中最先获得了发展和应用。
    实现一个完整的量子通信系统需要以量子编码理论为基础，以特定的量子通信协议为核心，通过实现量子信号产生、调制和探测等关键技术，最终实现量子信息或经典信息的传送。随着通信网络理论的发展以及量子中继技术的突破，量子通信网络有望从局域网络走向更大规模广域网络，乃至发展全球规模的量子通信网络。
    量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。随着电子计算机的发展，其结构越来越复杂，功能不断增强，单位面积上集成的逻辑元件数目也不断增加。然而，当单个逻辑元件的尺度逼近原子大小时，经典物理规律已经不能完全适用，必须在量子理论下才能描述系统的状态和状态的演化。按照目前处理器技术的发展速度，在不远的将来，我们就将逼近这样的尺度。因而，量子计算机的出现是计算机科学发展的必然结果。
    量子计算机是一种通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息能力的系统。在理论上，量子计算机具有模拟任意自然系统的能力，可应用于天气预报等领域。同时，在并行运算上的强大能力，使得它能快速完成经典计算机无法完成的计算。
    量子精密测量研究致力于揭示新的物理学规律、发展新的技术方法、深入探索物理量的测量限制以及突破测量极限的方法；针对最前沿的科学与技术需求，研究极端精密的测量技术、测量仪器设备和测量基准等。
    量子信息学是一门新兴学科，从理论建立到初步应用经历了不足百年的时间。但是，中国在量子信息学中的发展让我深刻感受到创新的重要性——掌握创新的主动权，才能掌握发展的主动权。
    在上世纪初始的“第一次量子革命”中，中国只能作为看客。而今启幕的“新量子革命”，中国已然成为参与者，甚至是推动者、引领者。近年来，我国多次创造量子比特纠缠数量的世界纪录，成功发射世界首颗量子实验卫星“墨子号”、成功开通世界首条量子保密通信干线“京沪干线”、首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发……
    相信在不久的将来，我国必能迈入世界科技前沿！
(图片源自网络)

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