量子知识”十问十答“

量子十问之四：“薛定谔猫”为什么会自然死亡？

作者：郭光灿 (中国科学技术大学)

凡是学习《量子力学》的学生，都必须学会求解薛定谔方程，人类一百多年来也一直在求解各种各样的薛定谔方程，并开发出激光、半导体、核能等新技术，造福人类近一个世纪。薛定谔正是因为在创建量子力学时所作的巨大贡献荣获了诺贝尔物理学奖。但其后来如同爱因斯坦一样，对量子力学有诸多质疑，1935 年他发表了著名的薛定谔猫佯谬，质问客观世界是否存在可以区分的量子态的叠加。

如图1 所示，小盒子装有放射性源，设其半衰期为一个小时，即一小时后有一半概率放射出一个粒子，根据量子力学叠加原理，一小时后空间将处于有一个粒子(记为|1> )，和没粒子(记为|0> )的叠加态：|ψ> = 1/2( |0> + |1> )。如果有粒子，盒子的机关会被打开，于是铁锤就会掉落下去，打破装有毒气的瓶子，此时毒气会将密封于笼子里的猫毒死，当然如果小盒子未放出粒子，这只猫仍然会活着。那么，一个小时后，这只猫究竟是活的还是死的？按照量子态叠加原理推演下来，猫也应当处在一半概率是活，一半概率是死的叠加态上，这只半死半活的猫就是历史上著名的“薛定谔猫”。尽管它已有八十多岁，迄今依然是人们津津乐道的话题。

图1 薛定谔于1935 年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验示意图

薛定谔提出这个佯谬本意是想问，宏观世界是否存在与微观世界一样可区分态的叠加态？现实世界为何只看到要么死，要么活的猫，从未看到这只半死半活的猫？可见这里的关键词是“死”和“活”这两种可区分状态，“猫”只是用于形象地表征这个物理命题而已，采用猫呀狗呀都一样。

兴许猫恰好是薛定谔本人的宠物，他便拿它来说事，或许薛定谔讨厌猫，故意使它处在半死半活的难堪状态上处罚它，但无论怎样，他不经意地就让这只猫扬名天下！所以不要太在意“ 猫”， 只关注“死”“活”。

谈到宏观可区分的量子态，人们自然会想到《量子光学》里的相干态|α> 。相干态是最接近于经典的量子态，理想的激光就是相干态，而且当其平均光子数很大时，相干态的量子效应便可忽略不计，可被视为经典电磁波。因此在寻找“薛定谔猫”制备的方案，人们多数采用相位差为π 的两个相干态的叠加作为“猫态”的候选者。这类方案已被实验所验证，最先是在原子尺度上制备这类“ 猫态”，其后又在宏观尺度上也制备成功。因此“薛定谔猫”确实如量子力学所预言的那样，在宏观世界里是存在的。

“薛定谔猫”可以生存，但是在现实世界中我们却观察不到这种叠加态，只能观察到确定的状态——“猫”要么死，要么活，仅有一种状态。这就是所谓的宏观实在性，即自然客体的宏观可区分状态总是确定的。

以玻尔为首的哥本哈根学派做了如下传统的诠释：我们只能通过测量才能确知“猫”处在什么状态，而测量会破坏被测的量子态，其结果是“活猫”和“死猫”的叠加态会塌缩到它们两者之一的确定态。换句话讲，现实自然界的宏观实在性是人类对量子客体测量引起的所谓“波包塌缩”所造成的。

玻尔认为，只有测量之后看到的才是真实存在的，测量之前的量子世界是虚拟的，不真实的。正是测量决定了薛定谔猫是死还是活的命运。“测量”究竟发生了什么？迄今人们还远未搞清楚！

如果自然界的宏观实在客体果真如玻尔所言是人类实施测量所造成的后果，那就意味着“人类”诞生在自然界之先，这怎么可能呢？人类只不过是自然界演化中在特殊时间和特殊空间中的特定产物而已，玻尔的诠释显然本末倒置。此外，任何客观实在客体都是由分子、原子、电子等微观粒子构成的，那么虚拟、不真实的微观世界怎么构造出真实的宏观世界呢？哥本哈根学派也无法自圆其说！

宏观世界存在的“薛定谔猫”是人们在实验室里采用特殊方法制备出来的，这种人造的“薛定谔猫”寿命不长，环境的消相干效应会最终使它因量子相干性消失而自动衰变为经典的猫，即要么死要么活的确定状态。“消相干”会杀死薛定谔猫，这是否表明，宏观实在性就是环境的消相干造成的？不完全对！

所有人为制备的量子系统都会饱受环境的消相干效应的破坏，如不采取有效的措施抵制这种消相干的影响，这些量子系统最后都会演化成经典系统。那么自然界是否存在有环境消相干效应无法摧毁的量子系统呢？确实有。我们知道，任何宏观客体都是由分子、原子、电子等微观粒子构成的，这些遵从量子力学规律的微观粒子是真实的，绝不是如哥本哈根学派所说的那样是虚拟的。宏观客体中的这些微观粒子组份是量子系统，它们在环境中依然保持着量子特性，并不会因消相干被破坏掉，原因何在？其根源在于这些微观量子系统中存在着很强的内在相互作用，粒子之间的强耦合远远大于环境的消相干作用(即退耦合作用)，因此微观量子系统的量子性能够牢固地保持住。

人造的量子系统会死亡，而自然生成的量子系统却能永存。这就是自然界本来的状况。宏观客体遵从经典理论，具有宏观实在性，其结构单元却是量子客体，遵从量子理论，两者和谐地融合为自然客体。人们迄今已成功建立经典理论和量子理论，能分别正确地描述经典世界和量子世界，但还无法完整地描述自然世界(量子力学与相对论并不融合)，原因在于我们还没有研究清楚量子世界与经典世界之间的界限，究竟是什么物理机制使得量子世界能自动地演化为经典世界。

图2 薛定谔猫(图片来源于网络)

如何判断一个物理客体是经典的还是量子的？2003 年诺贝尔物理学奖获得者Anthony Leggett 教授与合作者Anupam Garg 教授为此提出所谓“Leggett—Garg 不等式”(下称LG 不等式)。凡是满足此不等式的物理客体属于经典世界，具有处于确定状态的宏观实在性；若违背LG不等式，则属于量子世界，遵从量子态叠加原理。

为研究这个问题，我们可以借用“薛定谔猫”来帮忙。首先采用量子光学相干态人为地制造出一只“薛定谔猫”，并采取措施保护这只“ 猫” 不被环境消相干杀死。当然，在实验上可以运用LG 不等式来识别这只“猫”确实是“量子”的(即实验结果若违背LG 不等式，就证实它是量子叠加态)。然后，在实验上设法使“猫”逐渐胖起来(即增大相干态的平均光子数)，一直胖到LG 不等式不再被违背， 这时“薛定谔猫”便死掉了，变为经典猫，它处在死或活的确定状态上。这便找到了经典与量子的界限。特别要强调，实验中“薛定谔猫”之死，既不是环境的他杀，也不是测量引起波包塌缩导致，而是“猫”变胖后的自然死亡。

当然，我们还需要设计更多的这类使“薛定谔猫”自然死亡的实验，最终从实验上搞清量子世界自发演化到经典世界究竟有哪些机制。一个可能采取的实验方案是，采用质量很小的客体来制备“薛定谔猫”，然后逐渐增大质量，直至猫自然死亡为止。从而确认质量、引力是否是量子过渡到经典的机制。一旦能在实验上搞清楚“量子—经典”过渡的机制，就可以在薛定谔方程中加上体现这个机制的相互作用项，从而可能将量子理论与经典理论融合起来。因此，研究“薛定谔猫”为什么会自然死亡成为探索量子世界奥秘的重要抓手之一。

量子十问系列：

本文选自《物理》2019年第1期

量子十问之五：量子密码就是量子通信吗？

作者：郭光灿 (中国科学技术大学 中国科学院量子信息重点实验室)

密码学是内容极其丰富的学科，目前量子信息技术仅仅在“密钥分配”这个具体分支上可望发挥独特的作用。保密通信是密码学的重要内容，其基本原理是，采用密钥K₁(0，1 的随机数列)通过加密算法将甲方要发送的信息(明文)变换成密文，在公开信道上发送到合法用户乙方处，乙方采用密钥K₂从密文中提取所要的明文。

如果甲乙双方采用相同的密钥(即K₁=K₂)，称为对称密码或私密密码。如果K₁≠K₂，称为非对称密码或公开密码，其中K₁ 是公开的密钥，K₂只为乙方私人拥有。

如果任何窃听者在不知晓密钥的情况下，可以从秘文提取出明文，那么这种密码体系就是不安全的。事实上，每个国家，无时无刻都在收集其他国家所发出的秘文，许许多多极其聪明的破译专家日以继夜地企图从各种秘文中提取有用的机密信息，这种精彩的情报战早已成为百姓津津乐道的公开秘密。这时不禁要问，有没有一种令所有专家都无法破解的密码？确实有！早在20 世纪40 年代，著名的信息论鼻祖香农采用信息论证明，如果密钥长度与明文长度一样长，而且用过后不再重复使用，则这种密文是绝对无法破译的，俗称为“一次一密”。太妙了吧！

那么为何这种“一次一密”的密码迄今未被广泛推广使用呢？主要原因是，“ 一次一密” 要消耗大量“ 密钥”，需要甲乙双方不断地更新密码本， 而“密码本”的传送(称为“密钥分配”)本质上是不安全的。采用不安全的密钥来实施“一次一密”加密仍然是不安全的。那么是否有什么办法可以确保密钥分配是安全的？有，这就是“量子密钥分配”(缩写为“QKD”)！

“量子密钥分配”应用到量子力学的基本特性(如量子不可克隆性，量子不确定性等)来确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现，这是QKD比传统密钥分配所具有的独特优势，后者原则上难以判断手头的密码本是否已被窃听者复制过。QKD的另一个优点是无需保存“密码本”，只是在甲乙双方需要实施保密通信时，实时地进行量子密钥分配，然后使用这个被确认是安全的密钥实现“一次一密”的经典保密通信，这样可避开保存密码本的安全隐患。

量子密钥分配(图片来源于网络)

量子密钥分配的过程大致如下：单个光子通常作为偏振或相位自由度的量子比特，可以把欲传递的0，1 随机数编码到这个量子叠加态上，比如，事先约定，光子的圆偏振代表1，线偏振代表0。光源发出一个光子，甲方随机地将每个光子分别制备成圆偏振态或线偏振态，然后发给合法用户乙方，乙方接收到光子，为确认它的偏振态(即0 或1)，便随机地采用圆偏光或线偏光的检偏器测量。如果检偏器的类型恰好与被测的光子偏振态一致，则测出的随机数与甲所编码的随机数必然相同，否则，乙所测得的随机数就与甲方发射的不同。乙方把甲方发射来的光子逐一测量，记录下测量的结果。然后乙方经由公开信道告诉甲方他所采用的检偏器类型。这时甲方便能知道乙方检测时哪些光子被正确地检测，哪些未被正确地检测，可能出错，于是他告诉乙方仅留下正确检测的结果作为密钥，这样双方就拥有完全一致的0，1随机数序列。

如果有窃听者在此过程中企图骗取这个密钥，他有两种策略：

一是将甲发来的量子比特进行克隆，然后再发给乙方。但量子不可克隆性确保窃听者无法克隆出正确的量子比特序列，因而也无法获得最终的密钥；另一种是窃听者随机地选择检偏器，测量每个量子比特所编码的随机数，然后将测量后的量子比特冒充甲方的量子比特发送给乙方。按照量子力学的假定，测量必然会干扰量子态，因此这个“冒充”的量子比特与原始的量子比特可能不一样，这将导致甲乙双方最终形成的随机数序列出现误差，他们经由随机比对，只要发现误码率异常得高，便知有窃听者存在，这样的密钥不安全，弃之不用。只有当他们确认无窃听者存在，其密钥才是安全的。接下来便可用此安全密钥进行“一次一密”的经典保密通信。

上述这种保密通信，实质上是“一次一密”的经典通信，只是密钥是由QKD生成的，通常也称为量子保密通信。那么有两个问题出现：一是， 如果窃听者不停地窃听，甲乙双方就无法获得安全的密钥，于是保密通信便无法进行。确实如此，QKD对此无能为力！它唯一的优势功能就是断定是否有窃听者存在，所分配的密钥是否安全而已。这点在传统密钥分配原则上做不到。QKD只能用来确保传递信息的安全性，无法抗击“破坏信息传送”的行为。在这种场合只有借助于其他办法进行保密通信，比如，采用网络QKD，若某一路中段，寻找到不被窃听的传输路径可实现安全的密钥分配。如果QKD网络都处于被窃听的状态，那只好采用传统的保密通信办法了。

二是采用量子比特所生成的安全密钥比起用传统方法所得到的安全密钥(假定存在这种办法)有优越性吗？回答是否定的。只要密钥是安全的，不管是用何种办法生成的，两者性能完全一样。特别是，如果达不到“一次一密”的加密程度，即使QKD 的密钥是绝对安全的。这种密码体系同样可能被聪明的破译者所攻破。

量子密码(图片来源于网络)

现在我们可以回答标题所问的问题：量子密码是量子通信吗？答案是否定的！所谓“通信”简单地说就是传递信息(即“明文”)。量子密码只是传送经典随机数而已，不包含有任何信息内容，因此，与“通信”无关。量子保密通信实际上包括由QKD生成的安全密码和“一次一密”经典通信两个部分，本质上仍然是经典通信。现在媒体、学术界所说的“量子通信”就是量子密码或者量子保密通信，是某些人概念不清的误导，再由媒体炒作放大而形成的。真正的“量子通信”有其确切的内涵，即将信息编码在量子比特上，在量子通道上将量子比特从甲方传给乙方，直接实现信息的传递。这种真正的“量子通信”目前仍处于基础研究阶段，离实际应用还相当遥远。

量子密码是绝对安全的吗？(图片来源于网络）

下面我们来回答另一个问题，即量子密码是绝对安全的吗？或者问，量子保密通信果真能做到不可窃听、不可破译的绝对安全吗？保密通信的安全性同时受到两个因素制约：密钥的安全性和“一次一密”的真实性。量子密码在理想状态下可以确保密钥的安全性，但实际上，量子密码系统绝对达不到理想状态，例如单粒子探测效率不是百分百的，它会产生传输损耗、各种器件不完善等问题，这些非理想漏洞就可能被窃听者用来窃取密钥，但却不会被合法用户发现。就算人们能设计出与设备完全无关的量子密码协议，但因随机数的真伪、合法用户的识别等问题仍然难以做到密钥的绝对安全。只能是“相对安全”。另一方面，量子密码体系必须确保安全密钥的生成率足够高，以达到视频信息“一次一密”加密的需求，否则，即使密钥是安全的，保密通信仍然是不安全的。

通过卫星实现“天地一体化”的量子保密通信网络？(图片来源于网络)

量子密码的研究已有30多年历程，目前达到的实际水平是：在百公里范围的城域网，量子密码体系可以做到密钥分配在现有技术保证的各种攻击下是安全的，安全密钥生成率在25 公里可确保高清视频“一次一密”，在100 公里内能确保音频、文字、图片等的“一次一密”。因此可以制定“量子密码标准”，推广应用。随着攻击技术水平的提高，现有相对安全的量子密码可能会被攻击，到那时将会随之更新“量子密码标准”。因此，结论是：实际上，量子密码是相对安全的！

至于超过城域而筑建的任何城际量子密码网络，目前仍无法确保其安全性。现在通常使用的是“可信中继”，其安全性依赖于人的因素，所以安全程度不会超越现有的传统加密。远程量子密码只有采用“量子中继”才能确保其安全性，而“量子中继”的研制受到可实用的量子存储器和确定性纠缠光子源的限制，目前仍然处于基础研究阶段。

说得更远些，能否通过卫星等实现“天地一体化”的量子保密通信网络呢？理论上可行，但实际上难以做到。而且，是否非这样做不可也值得探讨。暂不说覆盖地面的网络有多难，就说“地空之间”的量子密码，必须确保在各种恶劣条件下全天候实现安全的密钥分配，而且它的密钥分配要达到“一次一密”的需求，就目前人类所达到的技术而言，这些条件都是可望不可及的。

上面提到的量子密码是在私密密码体系中，至于另种公钥密码体系在量子信息技术时代处境如何呢？现有公钥体系的安全性是基于难求解的数学难题，如大数因子分解等。业已证明，量子计算机的并行运算能力可以攻破RSA，DSA和ECDSA密码。因此，现有的公钥体系将面临巨大的挑战。但是量子计算机并不能解决电子计算机难以求解的所有数学问题，这也意味着，量子计算机并不能攻破所有密码体系，特别是10 年前密码学界就开始着手研究“抗量子计算攻击的新型密码”，而且不断取得进展。一旦这种新型的安全密码体系的研究得以成功，量子时代的信息安全将得到保证，而且这种抗量子计算密码显然比起目前研究的量子密码无论从造价上还是使用上都具有更大优势，相信会获得更广泛应用。

量子十问系列：

量子十问之一：量子究竟是什么？

量子十问之二：“爱因斯坦幽灵”能用来实现超光速通信吗？

量子十问之三：量子技术能将人“瞬间”转移到别的星球上吗？

量子十问之四：“薛定谔猫”为什么会自然死亡？

本文选自《物理》2019年第2期

来源：中国物理学会期刊网

编辑：重光

量子十问之七：量子计算，这可是一个颠覆性的新技术

出品：科普中国

制作：中国科学技术大学 郭光灿 中国科普博览

监制：中国科学院计算机网络信息中心

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息、运行的是量子算法时，它就是量子计算机。现在或许还无法准确预测“量子计算机时代”何时到来，但在科学家看来，已经没有什么原理性的困难可以阻挡这种革命性、颠覆性产品的诞生。

量子计算机研制（图片来源于网络）

以半导体芯片为核心的计算机的发明成就了现代信息技术产业（硬件、软件、网络、通信等）的高速发展，深刻改变了人类的社会活动形式，甚至是国防安全和国家核心竞争力。半导体集成电路芯片几十年以来一直沿着“摩尔定律”发展，单位芯片上晶体管数目越来越多，集成度越来越高。

截止到目前，集成电路芯片制造工艺处于14&10nm技术代量产阶段，更小尺寸的技术代（7nm和5nm）处于研发阶段。在可预见的未来将达到控制电子的物理极限，当单个晶体管缩小到只能容纳一个或几个电子时，就会出现单电子晶体管（量子点），量子隧穿效应将不可避免的影响电子元器件的正常工作。尽管科研人员正在努力通过各种手段进一步延续晶体管的制程尺寸并同时开发多核芯片技术，但相关技术只能在有限范围内优化传统芯片性能，无法阻止“摩尔定律”必将被打破的历史趋势。

集成电路芯片（图片来源于网络）

当现代计算机芯片在经典物理领域内无法进一步提升结构性能时，可以研究探索有别于当前计算机架构的新型结构和多核芯片，或者研究量子力学规律开发量子计算。新型结构需要抛弃当前计算机所遵循的冯·诺依曼架构，而量子计算则需要改变现有半导体芯片的基本结构，利用量子叠加和量子纠缠来实现逻辑运算。国际半导体技术发展路线图认为多核芯片等技术只能短期延续摩尔定律，中长期必然要发展以量子物理为基础的量子计算等颠覆性、革命性新型器件来超越摩尔定律，信息的量子化趋势将不可避免。量子计算是芯片尺寸突破经典物理极限的必然产物，是后摩尔时代具有标志性的技术。

对于现代计算机而言，通过控制晶体管电压的高低电平，从而决定一个数据到底是“1”还是“0”，采用“1”或“0”的二进制数据模式，俗称经典比特，其在工作时将所有数据排列为一个比特序列，对其进行串行处理。而量子计算机使用的是量子比特，量子计算机能秒杀传统计算机得益于两个独特的量子效应：量子叠加和量子纠缠。量子叠加能够让一个量子比特同时具备0和1的两种状态，量子纠缠能让一个量子比特与空间上独立的其他量子比特共享自身状态，创造出一种超级叠加，实现量子并行计算，其计算能力可随着量子比特位数的增加呈指数增长。理论上，拥有50个量子比特的量子计算机性能就能超过目前世界上最先进的超级计算机“天河二号”，拥有300个量子比特的量子计算机就能支持比宇宙中原子数量更多的并行计算，量子计算机能够将某些经典计算机需要数万年来处理的复杂问题的运行时间缩短至几秒钟。这一特性让量子计算机拥有超强的计算能力，为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，并可揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制，为先进材料制造和新能源开发等奠定科学基础。

量子计算机工作原理（图片来源于网络）

此外，量子计算的信息处理过程是幺正变换，幺正变换的可逆性使得量子信息处理过程中的能耗较低，能够从原理上解决现代信息处理的另一个关键技术--高能耗的问题。因此，量子计算技术是后摩尔时代的必然产物。

量子计算技术不仅能克服现代半导体工艺因为尺寸减小而引起的热耗效应，还能利用量子效应实现功能强大的并行计算，极大地提高计算速度和信息处理能力。规模化通用量子计算机的诞生将极大地满足现代信息的需求，在海量信息处理、重大科学问题研究等方面产生巨大影响，甚至对国家的国际地位、经济发展、科技进步、国防军事和信息安全等领域发挥关键性作用。

（一）国家影响力

信息是当今世界最为重要的战略资源，计算机技术是现代信息技术的核心，信息处理能力是信息时代的基本生产力，是国家的核心竞争力，体现国家综合实力的重要标志。二战结束以来，美国一直占据超级计算机研发的尖端，最初主要用于计算导弹弹道以及核武器模拟计算等军事活动当中，后来逐步应用到科研、产品研发、金融等各个领域。随后，计算机和互联网技术在美国迅速发展壮大，并在世界范围内扩展和加速全球化进程，美国在此过程中积累了其强大的国际影响力。量子计算科技革命给了我国一个从经典信息技术时代的跟踪者、模仿者转变为未来信息技术的引领者的、不可错过的伟大机遇。量子计算技术是一种颠覆性技术，关系到一个国家未来发展的基础计算能力，一旦形成突破，会使掌握这种能力的国家迅速建立起全方位战略优势，引领量子信息时代的国际发展。

（图片来源于网络）

（二）经济影响力

量子计算机能克服现代计算机发展所遇到的能耗和量子效应问题，从而摆脱半导体行业面临的摩尔定律失效的困境，同时突破经典极限，利用量子加速、并行特性解决经典计算机难以处理的相关问题。作为现代计算机的颠覆者，未来量子计算机会像经典计算机一样形成庞大的技术产业链，在国民经济生活中产生重大影响。其突破必将为信息和材料等科学技术的发展开辟广阔的空间，成为后摩尔时代和后化石能源时代人类生活的技术依托。量子计算机的研制必将带动包括材料，信息，技术，能源等一大批产业的飞跃式发展。量子计算机强大的并行计算和模拟能力，将为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，从而为提高国家整体经济竞争力创造条件。

量子计算与气象预报（图片来源于网络）

（三）科技影响力

过去50年以来，半导体及信息行业的技术发展经历过数次突破，从处理器的运算速度到存储器容量，再到网络带宽，每一次突破之后都能带来巨大的社会进步。目前，海量数据处理已成为急需攻克的壁垒。当前计算机处理海量数据的能力非常薄弱，传统计算机已经远远无法满足信息量爆炸式增长的需求，迫切需要从原理上突破超大信息容量和超快运算速度的瓶颈，而量子计算机正好能有效满足这一需求。量子计算机在科学研究领域具有广泛应用前景。学术界认为，在量子计算机达到大规模应用的比特数之前，将首先用于对量子体系的模拟。量子计算机利用其特殊的量子力学原理，将为强关联等物理学提供完美的检验平台。同时量子计算对于生物制药、机器学习、人工智能领域将产生深远影响，并对提高国家科技影响力起到积极作用。

人工智能（图片来源于网络）

（四）军事影响力

量子物理与计算科学第一次大规模结合的直接原因就是研制核心武器的需求。在计算技术的发展历程中，军事应用价值始终是其重要推动力之一。量子计算机的强大功能应用到国防建设时，其强大的运算、搜索、处理能力，将为未来武器研发提供计算、模拟平台，缩短研发周期，提高武器研发效率。还将在未来战场上破译加密密文，为及时高效准确的情报和战况分析提供技术支撑，提升作战能力，同时在战场计划、组织决策、后勤保障等方面发挥巨大作用，甚至有可能改变未来战争的形态，掌握其核心技术能够极大地增强国防综合实力。

量子物理与军事（图片来源于网络）

（五）国家信息安全

量子计算机最受关注的重要应用之一是破译现代密码体系。理论研究表明，目前使用的RSA公开密钥体系在量子计算机面前将不堪一击。构建于基于经典保密系统之上的安全体系将变得无秘可言。此外，量子计算对于信息安全的威胁还具有前溯性，如果现在的通信网络流量遭到窃听并被存储下来，未来潜在的对手利用量子计算能力，就能对这些通常加密的信息进行破解，从而在多年以后将威胁范围追溯到当前。量子计算机的研制已经成为国际社会关注的焦点，其对国家安全体系的重大意义不言而喻。

量子计算机纵然有无比强大的颠覆性功能，然而通用量子计算机的研制过程是相当复杂的。研制量子计算机的关键在于量子比特的制备。量子比特非常脆弱，外界任何微弱的环境变化都可能对其造成破坏性影响。因此，量子计算机的核心部件通常处于比太空更加寒冷的密封极低温环境中，防止受到其他环境因素的干扰。量子比特的制备方式存在多种方案，经过近二十年的发展，国际主流研究集中到了超导量子比特、半导体量子点、囚禁离子、钻石空位和拓扑量子比特等。

由于量子计算对于国家安全及经济发展的巨大影响，世界各国政府持续高强度资助量子计算机的研制。毫无疑问，美国在量子计算机研制上是国际最领先的，并且有着完整的布局。虽然量子计算研究的进展低于十年前的预期，但还是让人们看到了突破可集成化量子计算机技术瓶颈的希望。特别当量子比特的保真度突破了容错量子计算的阈值，使得一些基本量子算法得到演示。这些巨大的成就吸引了一些国际商业机构和政府部门的极大关注。

（图片来源于网络）

量子计算机研制已经进入一个十分关键的时刻，国际上超大计算机、信息企业都投入巨大人力、物力来研制量子计算机。主要包括：2012年微软研究院（美国）成立了量子体系结构与计算研究组，主要的目标是实现量子计算机软件体系结构, 包括量子程序设计语言及编译系统。2013年谷歌公司与美国国家航空航天局（NASA）联合成立了量子人工智能实验室，研究如何将量子计算机应用于大数据分析与机器学习。2014年9月2日谷歌宣布美国UCSB大学的 Martinis教授研究组加入谷歌公司研发量子计算机处理器。2014年 IBM宣布耗资30亿美元研发下一代芯片（五年计划），主要是量子计算与神经计算。2015年世界最大的芯片制造商Intel公司宣布投入巨资与荷兰代尔夫特理工大学合作研发基于硅量子点的量子计算机，并于近日开发出了将量子计算机需要的超纯硅附着在传统微电子工业标准晶圆上的技术，以期抢占半导体量子计算机研制的制高点。2015年5月，全球最大的国防工业企业洛克希德.马丁(Lockheed Martin)与马里兰大学合作研发集成量子计算平台。2016年5月4日IBM公司发布了5个量子比特的量子计算云服务。2016年8月4日马里兰大学与美国国家标准与技术研究院（NIST）发布5个量子比特的可编程量子计算机。美、日、欧等发达国家在前期已经投入大量研发资金之后，2016年4月欧盟又宣布于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目，促进包括通用量子计算机等在内的多项量子技术的发展。同月，澳大利亚政府宣布在澳大利亚量子计算与通信技术中心成立量子计算实验室，进一步集中对半导体硅基量子芯片等研究加大投入，以期抢占半导体量子计算的制高点。

我国政府也很重视量子信息技术的发展，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中将“量子调控研究”列为四个重大科学研究计划之一，给予量子信息技术稳定的研究支持，做出了一系列创新性研究成果，在某些方面已经处于国际领先地位，特别是基于量子物理的新型量子保密通信技术已逐步迈向实用化产业化。

然而实用化量子计算机的研制是一个系统工程，既要以量子物理为基础进行量子计算模型的原理性创新，又要从材料体系，结构工艺，系统构架和软件控制等工程技术创新和积累，我国在现代工艺技术上的基础薄弱，在核心电子器件、高端通用芯片、基础软件、极大规模集成电路制造装备等长期落后，也导致我国量子计算的研究大都局限于原理验证性和演示性层面，缺乏系统深入的实验平台和以实用化量子计算机为目标的研究队伍。特别是在可扩展的固态量子比特研究体系上，国内只有中国科学技术大学、南京大学、清华大学、浙江大学和中国科学院物理研究所等少数单位开展相关研究。虽然经过近几年不懈努力，我们在半导体量子点和超导量子比特研究中取得了一系列重大突破，在某些方面达到了世界一流水平，但是与国际领先水平还有差距，特别是在人力和物力方面的投入与欧美国家相比还远远不足。

（图片来源于网络）

量子计算机的研制需要物理、材料、信息和计算机科学等多学科的紧密协调和结合，从而实现从大规模器件的制备向微电子工程方面迈进。通用量子计算机的研制还有很长的路需要走，量子计算机的研制将伴随着经典计算的发展一起前进，相信随着量子比特的保真度达到容错量子计算的阈值，量子计算机的研究已经从实验室阶段向工程技术化阶段迈进，越来越多的研究单位和大型公司企业将进入，从而加速可实用化通用量子计算机研制的进程。从先进的发展模式而言，各大公司与研究机构合作研制量子计算机是集科研机构、公司、政府部门等于一体的研发模式，这可能是未来推进量子计算机研制的一种有效模式。

量子十问之八：量子模拟到底是啥？

出品：科普中国

制作：中国科学技术大学 郭光灿 中国科普博览

监制：中国科学院计算机网络信息中心

随着计算机技术的发展，人类利用计算机来模拟现实世界的能力越来越强大：现在飞机和汽车性能的测试、核试验等都可以在超级计算机的赛博空间中进行。甚至，当前热门的人工智能研究，也可以看成是计算机对人类行为的模拟。但是，用计算机模拟现实世界就总是这样无往而不利吗？

人工智能（图片来源于网络）

事实上并不是这样，当这些超级计算机来研究微观世界的量子力学问题的时候，原来强大的计算能力马上就变得捉襟见肘。在由量子力学规律所支配下的微观世界中，物理系统的所有信息都包含在系统的波函数里，如果我们能够精确地知道系统在某个时刻的波函数，原则上，我们也就知道了这个系统在该时刻的所有性质。但是精确地描述波函数是一个浩大的工程。

以我们所知道的最简单的量子系统——两能级系统（通常是一个电子或者一个光子所描述的系统）为例，要描述这个系统的一个量子态，需要2个自由参数；描述由两个这样的粒子所构成的系统，则需要14个自由参数；如果描述N个两能级系统所构成的复合系统的量子态，则需要4N-2个自由参数。如果N稍稍增加，这将是一个非常庞大的数字，于是，计算这样一个由相互作用的粒子所构成的量子系统的波函数随时间的演化，则变得异常困难，以至于目前人类最强大的计算机只能计算30多个两能级粒子所构成的系统。

费曼（图片来源于网络）

美国物理学家费曼最早认识到这方面的困难，并给出了解决的方案。通常，如果想知道一个物理系统的运行和演变，一种方式是：我们知道描述这个系统运动的基本方程，然后通过数学计算出系统每个时刻的变化；第二种方式就是做实验，创造一个和我们已知物理系统相同条件的系统，让它在相同的规律下演进、变化，我们通过对实验结果的观察来获得我们想要的信息。

费曼猜想，既然世界的底层规律是符合量子力学的，如果我们没有能力数值求解，我们可以创造一个人工的、符合量子规律的有效系统，使得这个有效系统所满足的量子力学方程同我们的求解对象完全一致，于是，我们可以通过控制这个人工的量子力学系统，在这个人工系统上直接做实验，读出实验结果即为我们所欲求得的解。费曼的这个想法，进一步演变为数字式的量子模拟（即：建造一台量子计算机，在量子计算机上，用量子比特来构建模拟对象，模拟系统的性质）和模拟式的量子模拟（即：直接在人工系统中构建所模拟的有效量子系统，它与数字式量子模拟的区别雷同于数字电路与模拟电路的区别）。

量子模拟实验显示时光旅行（图片来源于网络）

人们通过研究发现，量子模拟除了擅长模拟量子多体系统随时间的演化，还有可能模拟目前尚没有办法求解的强关联多体系统，而这两类问题是困扰多个学科分支（如：凝聚态物理、量子统计力学、高能物理、原子物理、量子化学等）的拦路虎。除此之外，通过量子模拟还有可能构建某些理论上预言、但是自然界尚未发现的新型的“虚拟”量子材料，来展现量子世界的神奇应用（如拓扑量子计算）；或是在量子模拟器中模拟目前真实物理设备所达不到的物理条件，演示已经被理论预言，但是从未在真实世界中观测到的物理现象；或是创建用于求解某些特殊类型的数学难题的专用机器（超越目前超级计算机所能达到的最快求解速度），等等。

目前，潜在的能够实施上述功能的量子模拟系统主要有：超冷原子气体系统、离子阱系统、超导电路系统、光子系统等。

量子十问之九：量子也有存储U盘？

出品：科普中国

制作：中国科学技术大学 郭光灿 中国科普博览

监制：中国科学院计算机网络信息中心

存储器的功能就是把信息存储起来，直到需要用到的时候再读出。信息的存储是是人类文明传递的重要手段，也是现代信息技术的一个核心环节。伴随着人类历史的发展，信息存储的介质也在不断变化。语言是人类最初的交流方式，大脑是信息存储的最早介质。它使得人类能够持续生存与进化。从语言到文字是人类文明进步的一个转折点，信息可以脱离人本身以文字等形式保存起来并传递下去。人们先后使用过石头雕刻、绳子打结、书本、磁盘、光盘等各种形式的存储器。

电脑硬盘（图片来源于网络）

现代数字信息处理是基于二进制计算机的，所以经典的存储器都是存储比特的，也就是存储两种经典状态之一：0或者1。大量比特的组合构成我们所需要的信息。经典存储器随处可见，包括电脑、手机内的内存、硬盘，以及便携式U盘等。

便携式U盘（图片来源于网络）

由经典信息走向量子信息的时代，量子存储器是必不可少的基础器件。对比经典存储器的功能，量子存储器应当是可以存储量子状态的，也就是和的任意量子叠加状态。和是两种最基本的量子态，对应经典的0和1，其区别是量子态可以叠加，比如有, , 等各种状态。

量子存储器在量子信息科学中具有许多重要的功能：

（1） 建立大尺度量子网络。

量子网络是长程量子通信和分布式量子计算的载体，它可以基于量子纠缠建立起来。单个光子是量子纠缠、量子信息的理想载体，然而单个光子在光纤网络中传输面临指数级的损耗，单光子穿越100千米光纤的几率是百分之一，而穿越500千米光纤的几率则降至100亿分之一。一个典型的解决方案是量子中继，其基本思想是把大尺度网络分割成多段小尺度网络。比如500千米的量子纠缠传输可以分解为五段100千米的短程纠缠，在短程纠缠依次成功建立的条件下，再利用纠缠交换建立远程纠缠。这里的问题是，每个100千米的纠缠建立的时间一般是不同步的，比如第一段可能在0.05秒建立，第二段可能在0.02秒建立，第三段又可能在0.1秒建立，等等。这就需要量子存储器去同步这个过程，每个节点的纠缠一旦成功建立则存储起来，等到所有节点都成功建立时，存储器之间进行纠缠交换最终建立远程纠缠。所以大尺度量子网络要解决的核心问题就是高性能量子存储器的物理实现。

量子网络（图片来源于网络）

（2）构建量子计算机。

和经典计算机一样，通用量子计算机也需要量子存储器（内存）实现复杂的计算功能。依据具体计算芯片的不同，该存储器要存储相应的量子信息载体。以线性光学量子计算为例，多光子是一种基本的计算资源，可是直接产生多光子非常困难：某时刻获得一个光子的几率是P，则同时获得N个光子的的几率是P的N次方。目前P值大约10%，故无法产生几十个光子的纠缠态。利用量子存储器可以把这种低效率的光子源转变为确定性（即P接近100%）的光子源。比如存储器的寿命是产生光子所需要一次操作时间的100倍，那么就可以在存储器寿命范围内，做最大100次重复尝试发射光子直到成功，从而把一个P=1%几率的光子源转变为确定性光子源，并进一步获得多光子源。

（3）实现量子U盘。

以上提到的应用中量子存储器的寿命一般在秒量级及以下，存储器都是固定在某个地点配合光子来实现诸多功能。2015年，科学家发现稀土离子掺杂晶体的自旋态量子相干寿命长达6小时。这是量子系统相干寿命的最高水平，并且有望进一步提升至几天的量级。该结果对量子信息科学发展具有深远的影响。

比如我们可以把单个光子存储进存储器中，并且在存储寿命范围内，利用汽车、高铁、飞机等运输工具把存储器运输到任意指定地点，这就实现了量子U盘的功能。这是一种革命性的量子通信方案，因为它原则上可以实现对量子纠缠物体的经典搬运。量子通信将不再依赖光纤布网，任何经典交通工具能到达的地方，量子U盘携带量子纠缠就能到达。它将是一种高灵活性且相对低成本的点对点量子通信方式，有望在身份认证、签名、量子密码、量子信息共享等各领域取得应用。

值得一提的是量子存储器的容量问题，经典存储器一般以比特为单位，现在的经典存储器可以达到TB（2的40次方）的量级。经典存储器一个存储单元只存储一个比特，所以存储器的容量实际上就是经典存储单元的个数。量子存储器由于量子相干性的特点，它的一个存储单元可以一次性存储N个量子比特，也就是N个模式。近期研究表明固态量子存储器的存储容量可达100个量子比特。这个容量已经远大于地球上所有经典存储器之和。

量子存储器（图片来源于网络）

综合来看，由于量子信息不可复制且不可放大，量子存储器在量子信息中的地位比经典存储器在经典信息中的地位更加重要。国际上有许多研究组在从事量子存储器的研究，比较主流的物理系统是冷原子、热原子以及稀土离子掺杂晶体。目前量子存储器的各项独立指标都有比较好的结果，然而综合指标仍然距离量子中继的要求相差较远。量子计算需求的量子存储器综合指标相对低一些，但这种存储器的实际应用需要伴随量子计算研究的突破。

量子U盘研究当前面临的主要挑战是如何把单个光子高效率地存储进长寿命的自旋态中以及提高实际系统运输中的抗环境噪声能力。伴随以上研究的逐步推进，量子U盘有望率先进入实用环节。