“墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐形传态实验平台建立天地链路（2016年12月9日摄，合成照片）。

由中国科学院院士、科技部原重大科学研究计划“量子调控研究”专家组成员叶朝辉教授精心审定的《量子科技公开课》一书，以通俗易懂的语言介绍了量子科技的各个重要侧面，包括对量子物理的历史和关键人物的介绍、当今量子科技的热门话题等，核心内容是讲述量子通信和量子计算。

该书直言不讳：量子理论艰深晦涩，非专业人士读来是玄之又玄，一些不良商家以量子为噱头，在市场上推出了各类“功能强大”且价格不菲的量子鞋垫、量子眼镜、量子速读等“伪量子产品”，造成了鱼龙混杂的局面；量子特性目前不可能进入千家万户的日常生活，更不可能在普通人家里展现；至于量子通信和量子计算机，前者目前很难走出实验室，后者距离真正实用还很遥远。

《量子科技公开课》 叶朝辉 审定 蔡恒进 施磊 冯芒 姚雍 著 人民出版社

量子被发现——从19世纪的大国竞争说起

量子在科学上被发现，其实与19世纪的大国竞争有关。当时的欧洲舞台上，德国迅猛崛起，与英法这些老牌强国展开激烈竞争，这种竞争在政治、军事、外交、殖民、科技和产业上同时展开。

今天我们到一个新地方，首先关心的是“这里有没有网”。而在1879年，爱迪生刚刚发明第一个实用的电灯泡，那时的人们去到一个地方，首先关心的是“这里有没有光”。有了人工照明，就意味着可以认识、探索一个陌生的地方，可以不必按照自然界的昼夜晨昏行事，从而将此地引入现代社会和经济运行轨道。

于是，把人工照明率先发展成专门产业就成了国与国之间竞争的大事。德国政府于1887年建立了帝国物理技术研究院（简称PTR），PTR拥有当时世界上最精良、最昂贵的科研设施。为了造出更好的灯泡，PTR的首要任务是寻找理想的“黑体”，能够完美吸收任何波长的外来辐射并完美释放出来，也就是全部转化为热。

这项计划出人意料地导致了量子的发现，1893年，PTR的一名年轻研究员维恩发现了黑体辐射的位移定律，1896年，他提出了一个黑体辐射能量分布公式。但是到了1900年，科学家发现，维恩公式在别处成立，在红外波段却奇怪地失效了，找不出原因。

此时，德国物理学家普朗克登场，他相信维恩的公式，并且提出了自己的解释。经过一些周折，他发现，新的理论如果要成立，自己就必须付出代价，那就是改变对原子理论原有的敌视态度。他自我革命、改弦易辙，引入了一种新的能量单元，并命名为quanta，这就是“量子”的由来。

1900年12月14日，在柏林德国物理学会的双周例会上，普朗克宣读了著名论文《黑体辐射中的能量分布》。在科学史上，这一天量子诞生了。

量子打电话——有人窃听就会被发现

量子有诸多神奇的特性，这些特性在宏观物理世界、在牛顿定律起作用的地方根本不可能存在，可是在微观世界里确实起作用。

比如大家都喜欢说的“薛定谔的猫”，也就是量子叠加态。密封的盒子里关着一只量子猫和一个放射性原子，原子有50%的概率发生衰变，若原子衰变，则盖格计数器诱发斧子落下，砸碎毒药瓶，则猫被毒死；若原子不衰变，药瓶未被砸碎，则猫依然活着。那么，在原子衰变的周期内，这只量子猫到底是死还是活呢？答案是，量子猫有50％的概率死了，也有50％的概率活着。这是一种半死半活的状态，即密封盒子内的量子猫将会是处于死和活的叠加态。但一旦打开盒子，这个叠加态便不再存在，因为我们能清楚地知道这只量子猫到底是死还是活。用专业的语言说，观测破坏了量子的叠加态。

叠加性所带来的这种不确定性在宏观世界是不存在的，因此，这个“薛定谔的猫”一度使物理学家也极度困惑，物理界和哲学界就客观世界和人的意识的决定因素曾展开过一场大辩论：如果人的观测能决定猫的生死，那么人的意识是否也会决定客观世界的走向呢？更为有趣的是20世纪50年代兴起的多世界理论，也被称作“平行宇宙论”。支持这个理论的科学家认为，薛定谔猫实验中，盒子在被打开观测之前，与其说猫处于一种既死又活的状态，不如说这只猫同时处于不同的“宇宙”中：有的“宇宙”中猫是活的，有的“宇宙”中猫是死的。这种解释听起来虽有些荒诞不经，但它的确成功避开了很多争论不清的问题，将微观和宏观世界联系在了一起。由多世界理论可以演化出“时空穿梭”、在时空旅行中关于“杀死过去的我”等有趣的现象，这已经成为很多科幻作品中的主题。不过，目前这些都仅仅是理论层面的假说和推论，还没有任何物理证据证明其能真实地发生。

量子特性一般只显著地存在于微观世界。在我们生活的宏观世界，量子性质极其脆弱，只有在极其特殊的条件下，如超高真空、超低温，才能通过特殊设计的操作被观察到。正因为如此，量子特性目前不可能进入千家万户的日常生活，更不可能在普通人家里展现出神奇的效应。

还是以猫为例，如果这只猫只有一个粒子，那么在超低温下，它“半死半活”的状态能够保持几微秒到几百微秒的时间；随着粒子数目的增加，这个时间就会急剧减小。当达到1000个粒子时，这个时间就减小到不足1纳秒。所以，在宏观世界要想保持一个量子特性，需要超高真空、超低温的特殊实验环境，这就是目前难以实现量子技术实用化的主要原因。

另一方面，叠加性也给人们带来了一些新的应用潜力。例如，由此所引申出的量子态不可克隆性在保密通信中就有着独特的作用。在经典物理世界，无论是一个物质还是某种状态原则上都是可以被复制的，专业术语称为“克隆”。

注意！窃听的本质就是信息克隆！正因为如此，用量子态来传送信息不用担心被窃听，量子态不可克隆性能确保信息传输的绝对安全。

通俗地说就是，如果A和B在进行量子通话，此时C开始窃听，那么瞬间就会被察觉，通话将无法进行。

但是必须公允地指出，这种特性使得量子通信极其脆弱、效率很低，C虽然无法窃听，但是却能成功干扰、破坏通话过程；当然了，这种反复进行的窃听、干扰、破坏行为也会反复暴露C的意图、手段和能力。

从这个意义上说，量子通信意义仍然很大，就是极度拉高C的窃听和破坏成本。

《量子科技公开课》披露，热度很高的“京沪量子通信干线”和“墨子号”卫星，前者途经济南合肥，全长2000多公里，后者2019年升空，多次成功进行地空通信，其实这两个量子工程在做的，就是分发密钥。

通俗地说，现阶段，如果用量子通信发送几万字的文章是非常不现实的；但如果把这几万字加密后用传统手段发送，而把解密的密钥，比如一串数字、字母和符号的组合用量子手段发送，则是可行的。

量子密码战——破译“16383”需要多长时间

上面说到了密码，正是为了破解密码，引起了量子计算机的热潮。

我们每天打交道的电子银行、网上交易等，都在使用RSA密码算法，这是目前最有影响力和最常用的公钥加密算法，它能够抵挡到目前为止已知的绝大多数密码攻击，被国际标准化组织推荐为公钥数据加密标准。

RSA算法基于这样一个事实：将两个大质数相乘十分容易，但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。例如，计算127×129并不难，但要将这个乘积16383分解为两个大质数却不容易。1994年IBM公司用1600台工作站并联，花了8个月才成功地分解一个129位的大数为两个大质数。但随着数字的增大，因式分解的难度是呈指数的增加。因此，大数的质因子分解的高难度是现在广泛用于电子银行、网络等领域的公开密钥体系RSA安全性的依据。

1994年在美国贝尔实验室工作的数学家Peter Shor提出了质因子分解的量子算法。其原理是，由于神奇的量子叠加性，其各个分量之间互不干扰，各个分量的时间演化是同时的，而且也是完全独立的。因此，当我们将信息编码在各个分量上时，通过操作这个叠加态，计算可以用“指数加速”的速度完成。按照理论估算，以上提到的129位的大数的质因子分解，若采用拥有2000个量子比特的量子计算机来处理，只要1秒时间即可以分解成功，这意味着以大数因式分解算法为依据的电子银行、网络等领域的密码体系在量子计算机面前不堪一击。各国政府开始意识到量子计算机与国家安全息息相关，于是纷纷投入大量的资金和科研力量进行量子计算机的研究。

1995年，美国国家标准技术研究所（NIST）的科学家在离子阱中第一次演示了量子逻辑门操作。2001年，科学家在具有15个量子位的核磁共振量子计算机上成功利用Shor算法对15进行了因式分解。2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机，但其作用仅限于解决一些最优化问题，与科学界公认的能运行各种量子算法的量子计算机有较大区别。

2009年，耶鲁大学的科学家制造了首个固态量子处理器。同年，世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生。

当时有一种消息说，某国情报机构已经积攒了一大堆密电，只要可解密的量子计算机研制成功，就马上动手破译。

可是，这种惊险小说里的情节到现在也没有发生。

2020年底，中国科技大学联合团队实现了76个光量子的玻色子取样算法。研究人员在名叫“九章”的光学量子装置上演示了50个光子的高斯玻色子取样，在200秒内观测到3097810个样本事件，取样速度是最快的经典超级计算机的10的14次方倍，也比谷歌的量子处理器快100亿倍。这两个里程碑式的实验，都是基于特定算法的实验，距离实现建造实际的量子计算机尚有很大距离。

《量子科技公开课》指出，迄今为止，世界上还没有研制出真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。人们研究量子计算机的初衷之一是探索通用计算机的计算极限，随后的研究高潮是因为量子计算机在破解密码方面的优势可能会威胁到国家安全。但从更高的层次上看，研究量子计算机的目的并不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，其作用应该远不止解决一些经典计算机无法解决的问题。量子计算机的研制让人类有可能重新思考计算的本质，在更广阔的空间去探索新的计算方法，加深人类对自然规律的认识，也将极大地提高人类的工程技术水平。这还有相当长的路要走。

（长江日报记者李煦）

【编辑：贺方程】

（作者：李煦)