上世纪初建立的量子力学是人类历史上最伟大的科学革命之一。百年来，随着量子力学的建立而催生的第一次量子革命，带来了原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术的发明，从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌。也许，它对于公众来说非常陌生，但是它其实已经深深融入了现代人的生活。

自上世纪九十年代以来，量子调控技术取得了巨大的进步，人们可以深入微观世界内部，操作微观粒子的量子状态。于是，以量子信息科学为代表的量子科技迅猛发展，这就是第二次量子革命的兴起。

很荣幸的是，我的学习和科研经历，让我作为亲历者，见证和参与了第二次量子革命的兴起和发展。

▲法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国物理学家约翰·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）

2022年诺贝尔物理学奖被授予法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国物理学家约翰·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他们在“用纠缠光子进行实验、确立贝尔不等式的违背以及开创量子信息科学”的卓越成就。值得指出的是，我国近年来在量子科技领域取得的一系列重要突破，为推动该领域的发展进而得到国际广泛重视做出了突出贡献，在2022年诺贝尔物理学奖发布现场和“科学背景介绍”中都着重介绍了“墨子号”量子卫星等由我国学者完成的重要成果。

▲2022年诺贝尔物理学奖发布现场

（一）量子通信：量子通信是利用量子比特作为信息载体来进行信息交互的通信技术。量子通信有两种最典型的应用，分别是量子密钥分发和量子隐形传态。量子密钥分发是指利用量子态来加载信息，通过一定的协议在遥远地点的通信双方共享密钥。量子力学基本原理保证了密钥的不可窃听，从而可在原理上实现无条件安全的量子保密通信。量子隐形传态是指利用量子纠缠来直接传输微观粒子的量子状态（即量子信息），而不用传输这个微观粒子本身。量子隐形传态可以连接量子信息处理单元来构建量子网络，同时也是远距离量子密钥分发所需的量子中继的重要环节，因此国际学术界将量子密钥分发和量子隐形传态统称为量子通信。量子密钥分发是最先走向实用化和产业化的量子信息技术。

量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系，具体发展路线为：利用光纤构建城域量子通信网络、通过中继器链接邻近两个城市的城域量子通信网络、通过卫星平台的中转链接遥远区域之间的量子通信网络。

（二）量子计算：量子计算是基于量子力学的叠加原理所展开的全新计算模式，它提供了一种从根本上实现并行计算的思路，具备极大超越经典计算机运算能力的潜力，可为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案。量子计算机一旦研制成功，将对基于计算复杂度的经典信息安全体系带来巨大冲击；而值得一提的是，量子保密通信的安全性基于物理学原理，与计算复杂度无关，即使是量子计算机也无法破解。

量子计算研究的核心任务是实现多量子比特的相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模，国际学术界设定了如下三个“里程碑”：第一步是实现“量子计算优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，达到这一里程碑需要约50个量子比特的相干操纵。第二步是实现专用量子模拟机，应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，为特定领域提供初步算力服务。达到这一里程碑需要实现千量子比特的相干操纵和高精度量子逻辑门，这也是当前的主要研究任务。第三步是在量子纠错的辅助下实现可编程通用量子计算机，即相干操纵至少需达到数百万个量子比特，能在密码分析、新材料设计、气象预报、生物制药等方面发挥巨大作用。由于技术上的难度，国际学术界一般认为实现通用量子计算机仍需10至15年甚至更长时间。

（三）量子精密测量：量子精密测量是利用量子状态对环境的高度敏感，可以对时间、位置、加速度、电磁场等物理量实现超越经典技术极限的精密测量。量子精密测量的主要应用包括高精度光频标与时间频率传递、量子陀螺仪、原子重力仪等量子导航技术，量子雷达、痕量原子示踪、弱磁场探测等量子灵敏探测技术等。这些技术的应用价值已比较明朗，将在惯性导航、下一代时间基准、隐身目标识别、全球地形测绘、医学检验、物理学基本问题等广泛领域发挥重要作用。2018年第26届国际计量大会正式通过决议，从2019年开始实施新的国际单位定义，从实物计量标准转向量子计量标准，这标志着精密测量开始进入量子时代。

▲未来天地一体量子通信网络

在量子计算领域，我国目前是唯一在光学和超导两种物理体系都达到“量子计算优越性”里程碑的国家，牢固确立了国际量子计算研究第一方阵的地位。我国构建的76光子光量子计算原型机“九章”，在国际上首次在光量子体系实现“量子计算优越性”里程碑。最新的“九章三号”实现了255光子的相干操控，反超加拿大量子计算公司Xanadu，再度成为光量子计算的世界第一。在超导量子体系，我国先后构建了62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”和66比特的“祖冲之二号”，在超导量子体系实现“量子计算优越性”。

▲九章三号（左图）与祖冲之二号（右图）

在量子精密测量领域，我国首次在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4×10^-19，达到国际最优水平；我国研制的高精度光钟，其稳定度和不确定度均优于5×10^-18（相当于70亿年的误差不超过一秒），达到国际先进水平。在量子导航方面，我国研制成功的原子自旋陀螺原理样机，指标与国外公开报道的最高指标相当；可移动原子重力仪精度已接近国际一流水平，小型移动式冷原子重力仪达到了目前国际上野外连续重力观测的最好水平。在单量子灵敏探测方向，我国研究人员在量子激光雷达、痕量原子示踪、单分子表征、磁场精密探测等若干方向上达到国际领先或先进水平。