“量子力学”这一术语渐渐演变成了“量子科技”

1. 引子

笔者所属的这代人，很小的时候就开始被灌输：二十世纪物理学有两大成就，一是相对论，一是量子力学。这两大成就自诞生至今已百年历程，却依然与我们下里巴人的日常生活相距甚远。我们的衣食住行感受不到多少相对论效应，与我们“息息”相关的还是经典物理学。我们也感受不到太多量子力学效应，虽然基于量子力学的应用早就贯穿于我们的日常生活。对后者，物理人最振振有词的实例就是基于晶体管的半导体和微电子信息处理产业，就是基于受激辐射的信息传输产业。没有量子力学，就没有固体能带理论，就没有激光，也就没有渗透到我们生活时空每一个角落的当代信息工具。事实上，大家都愿意接受如下观点：二十世纪量子力学影响我们生活的最大两件事即晶体管和激光，都是量子力学的产物。除此之外，还有一件渗入我们日常生活的变化，乃是：

“量子力学”这一术语渐渐演变成了“量子科技”。

即便如此，量子科技与我们大众感受到的生活“相距”还是很远的。晶体管和能带理论应用的是量子力学的宏观效应，超导电性亦是，激光当然也是。从这个意义上，说量子科技渗透到我们周围的每一个角落没错。这些效应的应用，量子力学原理的确贯穿其中，但更多的功能依然来自经典物理效应，来自那些看得见、摸得着、可加工、可测量和可控制的物理名词与效应上。也因此，我们见到听到的都是“导电”、“磁性”、“信息”、“计算”等经典术语，并没有“量子”显含其中。

诚然，量子力学最“本质”的特征应该由单量子态所体现。量子科技应该关注的是一个或几个单粒子的量子现象，如测不准、叠加态、纠缠、相干等等特征的功能化与应用。这才是量子科技最应该大显神通之处。

殊不知，最近一段时日，有两条脉络似乎正在改变神州大地上量子科技的现状：

(1)  量子通讯的相关研究工作在我国蓬勃发展，让芸芸百姓知道了我国在这一领域可能正在引领世界，虽然我们也很焦虑什么时候我们能多多“量子霸权”。特别是以中科大潘建伟老师为代表的团队一个接一个高端成果显现，似乎昭示我们做得不错。

(2)  前不久，清华大学 (现南科大) 的薛其坤老师，受邀向国家领导人宣讲量子科技，引发巨大影响。接下来的一系列公开宣示，似乎意味着量子科技将成为我国未来科技及产业发展的支柱之一。于是乎，我国各类科研管理与资助机构，开始摩拳擦掌，设计我国量子科技发展蓝图、布局发展态势。

即便如此，一般百姓，甚至是非核心专业的科技同仁们，其实未必真的明白这些所谓的量子科技到底是啥？那些近百年都离我们很远的量子现象、效应和可能的功能，似乎一下子就环绕于我们周围，让我们充满了“雾里看花花非花，遥迢量子犹遮貌”的惶恐和疑惑。不过，至少这些量子科技的新名词已经显含“量子”了：量子通讯、量子计算、量子密钥、量子材料、量子传感、。。。这是进步、是飞跃！图 1 所示即为这一一幅“遥迢量子犹遮貌”，让我们感受到虚无寰宇中的那些神奇的印记。

好吧，那，量子科技到底是啥？

笔者“闲来无所事事”，就去到那由“量子科技”参与构建之万能的万维网中现学皮毛一二，准备在这里“王婆卖瓜、自卖自夸”了。

图1. 一个想象中的量子网络示意图，其中每一个箭头代表一个微观粒子和对应的量子态，而相联系的是量子通讯过程。

https://innovationorigins.com/the-inestimable-value-of-quantum-technology-enormous-impact-on-the-economy/

2.量子物理的桑沧

虽然量子力学艰涩难懂，但众所周知量子力学发端于 1900 年代。那时有一些实验，观测到若干与传统物理学不符之处，诸如黑体辐射的波长是分立而非连续的、诸如原子只能发射或吸收特定频率的光波。这些都是量子化物理、或者粗鲁地说是物理乃离散的一份、一份的“分立物理”之印记。

顺便提到，物理学中这种“分立”的思想并非异想天开。西方哲学和科学发展脉络中，分立而非连续的逻辑思想一直都有迹可循。微积分的思想、0 / 1 离散数字化、二元论等，都是这种逻辑思想的某种体现。连续不过是密集的分立叠加所致。因此，提出量子力学也许并不完全有悖于西方哲学传统，虽然广义相对论还真是。

1900 年前后，普朗克提出了光以能量量子化的形式一份、一份地发射的看法，以解释实验观测到的一系列现象。随后，那个时代一批最优秀的物理大脑，如玻尔、爱因斯坦等加盟其中，为量子力学推波助澜，从而为物理学构建出新的范式，例如图 2 所示的“波粒二象性”这种于经典物理学似是而非的概念。从有历史记录至今，物理学史上大概很少有如此辉煌的岁月，让我们物理人至今都荣耀立足于学术界、傲视群雄。

图2. 量子力学的波粒二象性：粒子的运动既是粒子 (圆盘) 改变位置，也是波动 (曲线) 向前。

https://simple.wikipedia.org/wiki/Interpretations_of_quantum_mechanics

不过，量子力学的基本框架在 1930 年代搭建完成后，并未在人类世界中引起巨大波澜。那时候人们醉心于世界大战、争权夺利、践踏文明。一直到二次大战结束，量子力学才开始开花结果、才开始在某些方面羞涩地服务于社会，其中的两个成就即前文提到的晶体管和激光。它们构建了现代信息社会的技术基础，并最终导致计算机、通讯网络和现代信息世界的形成与发展完善。如果将这半个多世纪的历程称为第一次量子革命，估计无人质疑。

其实，正如“引子”一节所言，量子科技的深刻内涵如果只是体现在晶体管、受激辐射和超导等这样的众多微观粒子之“宏观”集体 (collective) 效应，那也还是有些令人不甘。量子科技最深刻的特征，当然在于如何调控和利用单一微观粒子，如何展示如单个或少数个电子、光子和原子/分子的量子效应。虽然自量子力学诞生以来，这一硕大领域有长足进展，但真正的单个量子 (态) 调控技术 (乃指适用技术) 出现突破乃是 1980 年代的单原子 / 光子操控技术。当然，固体物理最后也发展出了单电子操控技术，也可属于此类。这些单量子操控技术的发展，应该可以被视为第二次量子革命的开端。

这个新开端已经有开疆破土之势，在某些新的生长点上飞跃。例如，动不动就是了不得的量子计算“机”、量子保密通信 (intercept - proof communications)、超高精度测量技术等。这里的“了不得”不是几倍几十倍的进步，是几个量级、几十个、几百个量级的进步。它们太过分了，以至于让擅长并乐于质疑的科学人不大相信！我们说孙悟空孙行者有七十二变、有瞬间十万八千里，大概就是这个感觉。

更“邪门”的是，当物理人还在量子科技之路上征战时，政府和生意人早就跃跃欲试了。他们认为量子科技“必定”是改变我们人类生活的下一个高铁站，因此开始“兴风作浪”并取得丰硕成果。当欧、美、日和我国相关科技管理/资助机构陆续发布各种优惠扶持政策、少数情况下开始真金白银地拨款资助时，那些巨无霸科技公司如谷歌、IBM 和微软等已经捷足先登、初战告捷了。这种态势，也催促主流科学界秣兵历马、只争朝夕，刚刚在深圳由俞大鹏老师举办的“量子信息物理南方高峰论坛”即是检阅之一例。

3.量子科技之源

此一态势之下，当是科普“前世今生”的好时机，也是边看边学的最后一站。如此妄言，乃是因为量子力学所言多是反直觉的 (counter - intuitive)，其所言所指乃稀奇古怪、有悖常理。然而，正因为如此，才需要多读、多看、多讲、多行。更重要的是，量子力学到目前为止还无一报错，NND 全是对的，让人恐怖。最重要的是，这种有悖常理却无一悖理之势，让我们对那些即将到来的量子科技产品辗转反侧、心存畏惧。

那好吧，那就看看量子力学或量子科技有哪些著名的“有悖常理”之理。

3.1.叠加态

量子力学的悖理之理首推叠加态。我们日常生活中，某地某时有个物品在那里，就是在那里；不在那里就是不在那里。但量子力学不是这么“理”的，它说那个物品某时某地“在不在那里”是一个概率事件：物品可能在那里，也可能不在那里。能不能看到，要看你作为观测者的运气如何。同一时刻、同一地点，那个物品可以既在那里也不在那里。这一效应称之为叠加态 (superposition)。

这种情况对我们生活周围的宏观物品当然不大会发生，但对微观粒子则必定如此。例如，现在理解，原子核周围电子的运动轨道即是如此。轨道区域内，运动电子的位置是不确定的，同一时刻可以在轨道区域的这里和那里。对光而言，也是如此：同一时刻，一个光子传播的路径可以是这一条和那一条。当然，这是指粒子本源的状态如此。如果您去探测它在哪里，那么探测之下它的状态就会选择那些可能位置或状态之一，也就表现出是唯一的。至于它选择哪个位置或状态，那要看您测量时的“运气”。之所以如此，是因为您探测之就会“接触”之、干扰之，也就是说您永远不知道它的本源位置或状态，只能猜度它有多大可能性处于那个位置或状态。

此乃海森堡的测不准原理之一种表述，虽然这一原理一般表述为一个粒子的位置和速度这两个量不能都是确定的。这一叠加态之理是普适的，对能量、电荷、速率、位置等等物理量都是如此，令人沮丧。

图3. 量子力学叠加态的演示。此乃如魔鬼一般，令人诚惶诚恐(点击视频)。

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_superposition

图 3 乃取自维基百科的一个科普视频，有时间的读者可以点击观看。注意，当您点击观看时，您看到的并不是视频本源的图像，而是您点击后她展示给您的样子。明天您再点击观看这个视频，她展示的可能又是另外一个样子 ------ 莫名其妙！

也正因为如此，量子力学叠加态的那种“莫名其妙”也并非总是恼人的。这个特性在量子计算和量子信息中可堪大用！

3.2.纠缠态

我们说一个微观粒子的状态是叠加的、测不准的，如果现在是两个或更多粒子，会如何呢？这多个粒子所呈现的叠加态就是量子力学的第二个迷人之处：量子纠缠态！

以光子为例来刻画纠缠态的大概图像。我们知道，光有偏振方向，也就是光子有两个偏振态，姑且设定为垂直偏振 (V) 和水平偏振 (H)。一个光子要么取垂直偏振、要么取水平偏振。现在将两个光子设置为相互纠缠状态，这个纠缠态一定是一个叠加态：两个光子都是水平偏振的态 (HH) 与两个光子都是垂直偏振的态 (VV) 的叠加态。既然是叠加态，就无法确定是 HH 还是 VV 态，但两个光子因为纠缠在一起，其偏振必定相同 (HH 或 VV 之一)，如图 4 所示的偏振几率分布：毫无疑问，只有 HH 或 VV 态才会出现，那些 HV 或 VH 的态即便出现也是几乎可以忽略的。而 HV 或 VH 之所以出现，可能是因为纠缠态发生了退相干 (decoherence)。

图4. 双光子纠缠态的性质：H 表示一个光子取水平偏振态，V 表示垂直偏振态。HH 或 VV 或 HV 或 VH 表示可能的状态，但它们纠缠时一定最大可能取 HH 或 VV 态。那些 HV 或 VH 态的出现，是因为光子纠缠出现了退相干 (decoherence)。

https://www.nature.com/articles/ncomms3426

此时，将这两个按照 HH 或 VV 状态纠缠起来的光子分开，一个发射到月球上，一个留在地球处。如果测量地球上这个光子的偏振态，得到的要么是垂直偏振，或要么是水平偏振。与此同时，月球上的那个光子也将立刻取垂直偏振态或水平偏振态。这两个纠缠在一起的光子依然保持同样的 HH 或 VV 态。注意到，月球与地球相距遥远，且它们之间并无发生通讯联系，就好像这种即时同步响应是“心有灵犀万里通”。

这种纠缠态，如此莫名其妙，当年爱因斯坦所说的“超距幽灵作用 (spooky action at a distance)”即指此一效应。最可气的是，实验揭示的确就是如此这般。图 5 所示即为一个实验的简单示意图：两个粒子各自呈现淡红色或浅蓝色的状态。假定它们纠缠在一起，如果一个粒子由红变蓝，另一个粒子一定发生由蓝变红，两个粒子状态变化是关联在一起的、同步变化。如果您用“手指”去停止一个粒子的颜色发生变化，另外一个粒子的颜色变化也会停止。我们说，这两个粒子量子纠缠在一起。

这一性质可被用于发送“防截取的信息 (intercept - proof message)”之用，意指利用这一性质可以防止发送的信息被外部截取。因为一截取，发送方就会发现纠缠在一起的另一个粒子状态变化了。这有点类似密钥分发，但并不完全是一回事。

图5. 量子力学纠缠的演示。这两个粒子之间没有我们知道的经典物理联系，没有绳子或者电线连接它们，事实上也没有任何我们知道的其它联系，只有量子力学的纠缠将它们绑在一起。

https://d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net/uploads/2017/02/Particles_SpookyAction_Stars_2H.gif

3.3.压缩态

量子力学的第三个悖理之理，乃是海森堡的测不准原理 (Heisenberg’s uncertainty principle)。与“叠加”和“纠缠”比较，这个“压缩态”知名度最高，虽然大多数人并非了解这么个不确定的“原理”还能有什么主动应用价值。

这个原理有很多表述方式，最 popular 的当然是说同时测度一个粒子之位置 q 和动量 p (速度)，其结果一定存在不确定性：其不确定性表述为误差必然大于或等于普朗克常数 (Planck constant h ) 除以 4π (Δq · Δp ≥ h / 4π )。这一结果表明微观世界的粒子行为与宏观物体很不一样。

类似的原理表述对其它任何一组关联的物理量也是有效的。如频率  f  与时间 t，它们的测量误差也满足这一原理，使得同时精准测量两个量成为不可能。

不过，这个莫名其妙的“测不准原理”能有什么用吗？有的，很有用。既然同时精准测量两个量不可能，那我们就准确测量一个。通过量子系统操控的方法将其中一个量的分布展宽，那么另一个量的分布就可以很窄，从而实现准确测量。这种压窄一个物理量的技术称之为压缩态 (squeezed state)，如图 6 所示。

这一技术因此可被用来进行一个物理量的超高精密测量，代价或手段是让另一个关联的物理量显著展宽。这一超高精度测量技术在若干需要超高精密测量的应用中变得极为重要，令人称道。

图6. 空间位置坐标 q 和动量坐标 p 分布的相互关系。上部显示在 (q, p ) 平面中初始态呈各向同性分布，两个物理量 p 和 q 都具有一定误差。到了压缩态，分布就呈现出显著各向异性。下部则显示操控这一系统能够将最开始的各向同性分布区域显著压缩成薄片状分布。虽然动量 p 分布展宽了很多，但是换来了位置 q 分布显著变窄，也就是说如此会导致位置测量精度大幅度提升。

https://www.osapublishing.org/josaa/abstract.cfm?uri=josaa-29-4-463

3.4.相干性

3.1 小节宣扬了量子叠加态：两个量子态的叠加即用量子态的相干性来表述。相干性越好，意味着叠加态就越稳定，因此获得具有好的相干性是量子科技的基本需求。需要明白的是，量子力学的概率图像或海森堡测不准原理都预示，一个量子叠加态必定极易受到其它因素包括噪声的影响。随着时间延续，相干叠加态慢慢就衰退了，这就是所谓的量子态退相干问题。如图 7 所示即为以眼睛相干成像衰退作为类比表达退相干的表述。

既然一个量子系统很容易退相干，那保持相干性的最好方法就是将系统与任何干扰源或外界隔离起来。但隔离就不能测量，因此量子力学的第四个悖理之理乃是要既有好的相干性、又能够对其进行测量探测，虽然这很明显就是强人所难。正因为如此，我们经常能够听到物理人为延长量子退相干时间上的研究进展而欢呼雀跃之态。

对一个量子系统，系统体积越大，量子退相干问题就越严重。因此，对于多个量子系统耦合纠缠在一起的情况，退相干问题的解决就变得异常艰难。据称，经过数十年的发展，寻找众多技术改进方案，目前已经能够对几十个量子比特实现良好控制，虽然前路依然艰辛。

图7. 所谓退相干效应的波动表述：眼睛乃最需要处在相干清晰成像状态。如果外部干扰或损害使得眼睛的相干成像状态出现变形，则眼睛就慢慢失去功能。

https://iotpractitioner.com/quantum-computing-series-part-8-decoherence/

4.端倪量子科技

基于上一节量子科技之源的四个方面，现在大概可以评估物理人控制一个量子系统的能力和手段到了什么水平，从而打造当前发展量子科技发展方向。从当前技术水平和发展路线图看，量子科技大致有四个大的研究目标或应用方向，虽然它们实际上是“纠缠”在一起的。

所谓量子科技，依然是一个方兴未艾之“新”领域，如果将半导体晶体管和激光等早已成熟的技术不算在内。从应用主体而言，至少包括量子计算 (Quantum computer)、量子模拟 (Quantum simulation)、量子通讯 (Quantum communication) 和量子传感 (Quantum sensing)。虽然它们均在并行发展，但量子通讯和量子传感已经接近产业化应用，至少已经有了相关产品研发出来。这是物理人不菲之成就，虽经千辛万苦。

笔者愚钝，将对四个方面分别写几句心得体会，估计大部分都是不准确的或者错的。

4.1.量子计算

量子科技最动人的即是量子计算机。众所周知，经典计算机利用物理系统的两个对称简并态来实现 0 和 1 的处理和存储，称之为比特 (bit)。这一比特态是确定的，非此即彼，0 就是 0、1 就是 1。与此对应有二进制计数体系来实现数据功能。

与此类似，量子计算机也有对应的量子比特 (quantum bit, qubit)，只不过量子比特呈现的是 0 和 1 的叠加态。同一时刻可 0 可 1，使得量子计算可解决传统计算难以触及的一些太过复杂的问题。以此类推，两个量子比特在同一时刻可以有 4 个可能的取值：00、01、10、11，三个量子比特就同时有 8 个取值。由此，将 300 个量子比特组合在一起，在同一时刻就可以有 2300 个取值。当然，这个数字太大了，没有特别意义，大概也很难做到每一个态都去精准调控。具有实际意义的量子计算机，有 50 个量子比特就足够，已经远超当今任何超级计算机的计算能力。

发展量子计算的设想大约始于 1980 年代，历经多年。但做出来的系统似乎无法实现计算功能，因为既没有可用的操作算法、也不知道如何实现量子纠错。这里，想将传统计算机的操作算法和纠错模式移植到量子计算机，发现徒劳无功、必须另起炉灶。这一困境大概延续到 1994 年前后，Peter Shor 提出他那著名的“如何从一个大数中快速找出最大质数因子”的量子算法。这一算法乃出自天才之手，成为破解当代密码技术的密钥。不仅如此，仅在一年后，Shor 又提出了一类特定的纠错编码技术，以实现对量子计算中的纠错操作。这两项工作犹如设计制造量子计算机的星星之火，立即燎原全球，催生了对量子计算机的狂热追求。随后，即便是艰难险阻，但也诞生了所谓“量子霸权”和“量子优先”等新说辞，咄咄逼人的气势轰然而至。更有甚者，对量子计算机的追求，也就是量子科技的主线，正催生整个量子科技产业的发展与壮大。

图8. 通过纠错实现通用量子计算。

Benjamin J. Brown, Science Advances 6,eaay4929 (2020) https://advances.sciencemag.org/content/6/21/eaay4929

量子计算机目前的发展方向主要有离子阱方法和超导电路方案。前者基于将离子置于(如悬浮于)超高真空的电磁场环境中，并尽可能避免离子与周围其它分子或微观粒子的碰撞及自身热涨落，再用激光束对离子阱量子态进行操控。这一技术方案存在的困难似乎是难以大规模扩容，目前已经能够做到 10 – 20 个全控离子阱型量子比特。

对超导电路方案，则普遍采用超导约瑟夫森结电路来实现量子比特。所谓约瑟夫森结，是说两个超导层中间被一层薄薄的绝缘层隔开。这里，绝缘层作为超导电路弱连接。在量子隧穿效应作用下，超导隧穿电流无需外电压驱动，因此超导结可以在无损耗状态下实现能级间开关，量子态操控通过微波电磁场来实现。这一技术方案发展历史也很长，曾经举步维艰、充满挑战，主要的障碍是退相干问题。本方案发展历程的一个鲜明特点是这一电路与当前微加工集成技术兼容，可实现大规模制备，因此备受那些信息产业巨头青睐。包括谷歌、IBM 和微软在内的公司都颇有斩获，16、30 甚至是 50 这种级别的量子比特都陆续研制成功，并实现了多次“量子霸权”的宣示。

然而，伴随硬件进步，量子计算纠错问题并未解决得很好，或者说尚无好的解决方案。目前采用的更多是一些“笨”办法：对 N 个相同的量子比特，取其中之一作为逻辑比特参与量子运算。这一逻辑比特是否出错，乃通过检测另外的 (N - 1) 量子比特 (称为物理比特) 之状态、并与这逻辑比特比对来判断，以实现纠错。目前评估，这一办法的确会消耗大量物理比特用于纠错，有事倍功半之感。最近，有理论提出拓扑量子计算的方案，试图利用拓扑保护的属性去实现更强的容错能力。当然，也还有其它一些纠错方案，但所谓人无完人，均各有优缺点。

特别指出，量子计算机具有一个与经典计算机很不同的特点或者也可以说是制约，那就是量子计算特别适合于那些需要基于概率事件进行大规模计算与优化问题。这是量子力学基本特性决定的：量子态具有天生的内秉几率属性。举个现在很时髦的例子：机器学习和人工智能领域中大量实例就是概率计算、并行计算和优化。大分子结构设计与优化计算也很适合用量子计算来完成，这对药物设计等十分有利。当然，对那些具有确定性求解的问题，量子计算对经典计算机的优势并不那么明显，虽然现在下结论为时尚早。事实上，量子计算机发展还处于初级阶段，此时去与一个发展极端成熟的产业比较，不甚合理。

4.2.量子模拟

本质上说，一个量子模拟器，实际上就是一部具有特定功能设计的量子计算机。为了解决一个或一类重大问题，专门设计制造最优化的量子计算机，以实现快速高效准确计算，其成效自然要比量子通用计算机高很多。为此付出的代价，便是对每一个或一类这样的问题，都需要专门设计制造对应的机器及计算代码 (?)。

这一思路催生了物理人去为此目标而努力，并取得若干进展。到目前为止，针对若干简单问题的量子模拟器尚未在整体性能上超越经典计算机，但这不妨碍量子计算在某些能够引起大众关注的亮点问题上展示“暴力”，实现量子霸权。例如，Google 好像使用了 53个量子比特的量子处理器 Sycamore，完成了实验题目“证明一个随机数产生器产生的数确实随机”。自然，这个问题并不是那么着急上火的重要科学问题，但量子处理器只花了 200 秒就完成了经典超级计算机需要大约一万年才可能完成的任务，实属令人震惊。相关问题的细节描述，读者可在互联网上随手搜索到。

4.3.量子通讯

与量子计算不同，在量子科技承诺的诸般新奇应用中，量子通讯可能最接近商业化前端。包括我国在内，有若干国家和地区，已经实现相关通讯技术的演示。量子通讯预期在互联网金融、医疗数字化、互联网商务等领域会一展拳脚。这些互联网金融和商务活动的前提便是要保证传递的信息是安全的、不能被第三方知晓，因此传递的信息就需要加密，最好是无法破解的加密。而量子密钥分发就成为量子通讯能够傲视群雄之经常拿来“显摆”的实例。

今天，对信息进行经典加密有很多技术，常用的加密方法比如基于“如何找出一个很大的整数中包含的最大质数因子”这一问题而衍生。如果应用经典计算机来解密 (解码)，破解计算会耗费很长时间。正因为如此，这一原理经常被用来进行加密编码。但也正如前所述，Peter Shor 的量子算法就是针对“如何从一个大数中快速找出最大质数因子”这一问题的。破解这一问题用 Short 算法正中下怀，所以利用量子计算来进行解密似乎就形同儿戏。只要得到了密码，所谓加密的信息就立刻暴露于光天化日之下。

图9. 笔者理解的所谓量子加密传递简单例子。(上部) 将要传递的信息编码分解为明码和密钥两部分之叠加。明码为经典编码，通过公共网络有发送者 Alice 传送给接收者 Bob，信息量占据主导。密钥则通过量子编码为光子，通过量子密钥分发 (quantum key distribution) 通道传递。很显然，窃听者 Eve 只是破解明码是无法获取传送信息的，必须也要破解量子密钥，将明码与密钥组合才能解码。(下部) 量子密钥是随机编制的，一组密钥只用一次，只有发送者和接受者知道。如果窃听者在量子密钥分发通道上监听，则必然会要测量密钥。量子力学告诉我们，对量子态进行测量，必然会改变被测量的量子态，由此接收者就会发现收到的量子态与发送者送出的不同，即可以判断密钥被窃听。

(上部) https://www.eetasia.com/quantum-computing-the-bogeyman-of-encryption/

(下部) 来自戚兵教授，加拿大多伦多大学。

然而，所谓上有政策、下有对策。借助量子通讯，就可以防止此类破解发生，此即“量子密钥分发”的机缘所在。如图 9 (上部) 所示，除了利用经典明码编码来传递信息 (encoded message) 之外，还可以另外传递一组密钥 (random secret key)，与所传递的明码信息组合在一起来解码。这一组密钥即时发送，只用一次，发送者 Alice 和接受者 Bob 都知晓这一组密钥。在此前提下，获取的密钥通过量子通讯技术来传输，比如利用光子来编码密钥，通过光纤传输。在携带密钥信息的光量子传输过程中，如果有任何窃密者居间探测光量子状态，则此量子态必然会被干扰改变，接受者由此就可以判定密钥是否被窃听过，如图 9 (下部) 所示。这一技术看起来是绝对安全的，从而让量子密钥分发成为绝对的明星。

到目前为止，国内外已经在量子密钥分发技术上取得进展，包括固定光纤传送、卫星传送和基于无人机的所谓移动传送，距离远达数百公里到数千公里。这些进展为最终在全球组建量子密钥分发的网络提供的前期预研和技术支撑。只要量子纠缠能够在足够远的距离间得到保证，这样的技术看起来的确是“无懈可击”的。 

4.4.量子传感

量子四大主力应用领域的最后一项即所谓量子传感。传感器在今天的人类生活中自然比比皆是、五花八门，量子传感此时掺和进来似乎是投资夕阳产业。那这个领域为何这么火？前景诱人？那乃是因为其过于独特之处。或者说，这太过独特，以至于现在的那些传感器都有点小儿科了，如果量子传感真的大行其道的话。

量子传感的最大优势就是灵敏度极高，而如此高灵敏度的测量传感的确是可以“感受”/“探测”到那些原来没“感觉”的效应的。例如，现在已经可以实现单个量子本质的粒子如单光子和单电子探测与传感，其灵敏度已经达到可以将站在旧金山和南京的两人之间之万有引力测量出来，令人难以置信！其中的一个获得高精度或灵敏度的方案即 3.3 小节所描绘的压缩态：利用海森堡的测不准原理来构建基于微观粒子的超高精度测量。图 10 给出了一个物理艺术人想象的源自金刚石中单个 N 空位 (NV) 磁场探测的图像。此类磁场探测很容易达到 10-12 特斯拉量级精度，即是因为基本粒子电子带有自旋。这是一个单量子探测的良好演示实例，如果我们认为磁场对这个自旋施加的 Zeeman 能是量子化的。这样的探测精度或灵敏度似乎是量子世界中直接探测磁场的最高值了。

如此高精度的测量，自然会对我们所领略过的物理世界以更为精细的刻画，而这些刻画过去只是存在于我们的梦里和思辨中，但未来也许就如同尘世一般。更有价值的是，这些探测可能赋予人类上天入地的功夫。便是那趋之寰宇、步之微埃、地震/灾难预警，已不在话下。

图10. 物理艺术人想象金刚石中 N 空位 (NV) 携带的自旋如何感受周围的磁场环境。如此量子化的磁场探测精度应该是量子力学范畴内的最高值？

https://medium.com/swlh/quantum-sensors-are-already-here-9401bda60c25

5.作为结语：量子材料

毫无疑问，除了上述四大领域，还有更多基于量子科技的潜在应用将如雨后春笋、一日三鲜，图 11 所示乃其中部分愿景。但所有这些愿景的实现，却需要一个立足和成长的交叉基础，这便是量子材料。正如人类正在享用的现代信息能源世界一般，材料科学是其中的纽带和基石。对量子科技，很大程度上量子材料亦扮演类似角色。

按照量子科技来分类，对需求而言，可将材料进行不同于当前凝聚态物理学框架的新分类，虽然这种分类还缺乏扎实的学科基础：

(1)  量子凝聚态物理定义的量子材料大类，特别是存在关联效应的量子材料，可见相关文章《量子材料遍地生》《Frontiers in Quantum Materials Collection》(https://www.nature.com/collections/bacihdbacc)。这其中的每一类都是量子科技应用的载体。

(2)  量子传感与度量材料，量子光学材料，量子纠缠材料，拓扑量子比特材料，自旋量子比特材料，超导量子电子学材料，磁激子 (magnonics) 材料，等等。

(3)  为集成量子科技的各类功能以供应用，物理人提出了所谓“混合量子体系 (hybrid quantum systems, HQS) 的理念，即在一个器件中拥有多个量子功能，如量子态的存储、运算和传输于一体。很显然，实现这种 HQS，迫切需要能够承载的量子材料。

(4)  量子科技器件的制备技术，包括材料生长和制备的方法、工艺及技术等。

(5)  量子科技新领域所依赖的新材料。

最近在深圳召开的《量子信息物理南方高峰论坛》(俞大鹏教授召集、深圳(南科大)量子科学与工程研究院举办)，便可看到量子科技的发展如何显著地依赖量子材料的发展。论坛包括如下主题，体现了量子材料在其中的基础性地位与作用，可作参考：

(a)   强关联与拓扑量子体系；

(b)   二维量子材料；

(c)   自旋波 (spin wave, magnonics) 量子体系；

(d)   计算物理；

(e)   原子分子光 AMO 物理 (单量子物理、相干等)；

(f)    单光子发射与探测；

(g)   人工微结构与光场调控；

(h)   量子模拟与量子计算。

至此，笔者 Ising 从一个外行读者的角度，呈现了所理解的量子科技到底乃何方神圣、当下和未来可期待什么。

图11. 所谓量子科技应用愿景之一部分。

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