我國量子通信和量子計算研究現(xiàn)在是什么水平？

　　很多人都打過保齡球，這個新游戲里面讓保齡球通過兩個狹縫，最終會在后面的屏幕上留下兩個痕跡。

　　如果把保齡球縮小為一個電子，重新玩這個游戲。此時，一個非常奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了。如視頻最后所示，屏幕中會出現(xiàn)多條明暗相間紋。

　　量子“保齡球”實驗結(jié)果

　　如下圖所示，經(jīng)典世界和量子世界形成了非常鮮明的對比。經(jīng)典世界是我們都非常熟悉的，球打過去就是這樣的結(jié)果。在量子世界，有點像孫悟空的分身術(shù)，球的兩個分身可以一起經(jīng)過左右兩條縫隙。

　　左：經(jīng)典世界 右：量子世界

　　這就是量子世界不同于經(jīng)典世界的一個非常奇妙的特征，量子世界允許一個物體同時存在于多種狀態(tài)。

　　量子計算主要就是依賴于這個特性。計算的基本單元是0和1，例如，我們可以用圖中的紅色和藍色路線分別代表0和1。

　　量子世界

　　1個量子比特中，0和1兩種狀態(tài)同時存在;50個量子比特，有250種狀態(tài)同時存在。這些狀態(tài)同時輸入一個函數(shù)，可以同時得出250種狀態(tài)的結(jié)果，提供一種非?？焖俚牟⑿杏嬎惴椒ā?/p>

　　但如果我們想看以下量子的保齡球到底是從左邊(紅色)還是右邊(藍色)過去的，此時，一個更加奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了。

　　如果沒有人觀測，量子會從兩邊同時經(jīng)過，一旦有人觀測，這種量子現(xiàn)象就會消失，退化回到經(jīng)典現(xiàn)象。

　　所以，量子的狀態(tài)和其是否被測量相關(guān)。這種性質(zhì)是量子保密通信原理的一個形象描述，就是說，一旦有人竊聽量子通信的通道，他不可避免地會擾動、改變量子狀態(tài)，從而使通信雙方察覺，這樣，在物理原理上保證了通信的安全性。

　　量子通信保密原理

　　量子的應用

　　很多人覺得這個聽起來有點意思，但是似乎感受不到高冷的量子物理和我們生活的關(guān)系。其實，過去的一百多年，自量子力學發(fā)展以來，它所催生的各種技術(shù)已經(jīng)徹底改變了我們的生活。

　　比如，我們今天使用的計算機、筆記本電腦、手機的芯片，其基本的計算單元是晶體管，就是基于量子力學中的能帶理論發(fā)明的。

　　激光也來源于量子力學，我們使用的硬盤(巨磁阻)、硬盤，還有LED發(fā)光等，都依賴于量子力學。但是之前的這些量子技術(shù)，都是基于量子規(guī)律的宏觀應用。

　　第一次量子革命

　　最近幾十年，物理學發(fā)展到新的階段，即使有百億億個光子，在實驗室里可以精準地控制一個一個的光子、一個一個的原子。這些技術(shù)正在催生“第二次量子革命”的一些新技術(shù)，包括安全通信、超快計算、精密測量等技術(shù)。

　　第二次量子革命

　　我國量子技術(shù)的發(fā)展

　　改革開放40年，很多方面發(fā)生了翻天覆地的變化。回顧過去會對這種變化有更加深切的感受。我們把時間軸撥回1996年，當時，我的導師潘建偉老師剛?cè)W地利留學。

　　有一天，他興沖沖地去找他的導師安東·塞林格，說自己通過計算發(fā)現(xiàn)了一個有趣的理論方案。講完這個方案后，安東問他有沒有聽說過“量子隱形傳態(tài)”，潘老師說不知道。

　　左：Anton Zeilinger 右：潘建偉

　　由于當時互聯(lián)網(wǎng)水平的限制和國際期刊在國內(nèi)的普及程度不夠，在不知道1993年Bennett等人的PRL文章情況下，潘建偉就重新獨立推導出了量子隱形傳態(tài)，這是量子信息中的一個核心方案。

　　從到達因斯布魯克的第一天開始，導師安東就問潘建偉的留學夢想是什么，他回答說：“要在中國建立一個世界一流的量子實驗室”。