量子力学是20世纪人类在物理学领域的最重要的发明之一。量子力学和狭义相对论被认为是近代物理学的两大基础理论。量子力学主要研究微观粒子运动规律。20世纪初大量实验事实和量子论的发展，表明微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动不能用通常的宏观物体运动规律来描述。量子力学的建立大大促进了原子物理学、固体物理学和原子核物理学等学科的发展，并标志着人们对客观规律的认识从宏观世界深入到了微观世界。

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。

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

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量子信息科学（QIS）基于独特的量子现象，如叠加、纠缠、压缩等，以经典理论无法实现的方式来获取和处理信息，技术应用包括量子传感与计量、量子通信、量子模拟及量子计算等方面，它将在传感与测量、通信、仿真、高性能计算等领域拥有广阔的应用前景，并有望在物理、化学、生物与材料科学等基础科学领域带来突破，未来可能颠覆包括人工智能领域在内的众多科学领域。

一、传感与计量领域

利用纠缠现象，可将不同的量子系统彼此相连，对一个系统的测量会影响另一个系统的结果——即使这些系统在物理上是分开的。两个量子系统处于略有不同的环境中，可通过彼此干涉提供有关环境的信息，从理论上讲，这种原子干涉仪提供的感知性能要比传统技术高出几个数量级。

原子干涉仪除用于惯导外，还可改装为重力仪，以及用于地球系统监测、矿物质精确定位等。量子授时装置，如美国国家标准技术研究院（NIST）研制的量子逻辑钟，是目前世界上精度最高的授时装置之一。光子源及单光子探测技术可提高光敏探测器的校准精度，用于微量元素的探测。

二、量子加密通信

传统加密技术使用密钥：发送方使用一个密钥对信息进行编码，接收方使用另一个密钥对信息进行解码，但这样的密钥有可能被泄露，从而不可避免地遭到窃听。

不过，信息可以通过量子密钥分布（QKD）进行加密。在QKD中，关于密钥的信息通过随机偏振的光子发送，这限制了光子，使其仅在一个平面中振动。如果此时窃听者测量信息，量子状态就会坍塌！只有拥有确切量子密钥的人，才能够解密信息。

量子通信还可能应用于虚拟货币防伪和量子指纹鉴定等等。未来，量子网络将连接分布式量子传感器，用于全球的地震监测。

而在5年—10年内，有望开发出可靠的光子源及相关技术，实现远距离量子信息传输，并推动量子处理器之间数据共享协议的相关理论研究。

三、量子模拟

量子模拟器使用易操控的量子系统，来研究其他难以直接研究的量子系统属性。对化学反应和材料进行建模是量子模拟最有可能的一个应用。研

究者可以在计算机中研究数百万美元的候选材料，而无需再花费数年、投入数亿美元，却只能制造和定性少量材料。不管目标是更强的飞机用高分子材料、更有效的车用触媒转化器、更好的太阳能电池材料和医学品，还是更透气的纤维等，开发环节加快将会带来巨大价值。

基于不同技术的量子模拟器原型已在实验室环境得到了验证。

四、量子计算

量子计算是通过叠加原理和量子纠缠等次原子粒子的特性来实现对数据的编码和操纵。在过去的几十年里，量子计算只存在于理论上，但近些年的研究已经开始出现有意义的结果，开发并验证了多种量子算法，研制出了量子计算机实验原型机，未来的5年—15年里，我们很有可能制造出一款有实用意义的量子计算机。

量子计算机的出现将给气候模拟、药物研究、材料科学等其他科研领域带来巨大的进步。不过，最令人期待的还是量子密码学。一台量子计算机将可以破解目前所有的加密方式，而量子加密也将真正无懈可击。

量子技术即为利用量子理论形成新事物，改变现有事物功能、性能的方法。

量子技术包括这三类要素：量子经验性要素、量子实体性要素和量子知识性要素。

量子经验性要素表明量子技术的使用也需要有人的经验的积累，但它并不构成量子技术的主要性要素，这一要素的作用可以忽略。

量子实体性要素是量子知识性要素的载体，表现为量子技术人工物（量子技术客体）。

量子知识性要素主要是指量子技术是量子力学和量子信息论等量子理论的应用。没有量子理论就不可能有量子技术，也不可能凭宏观的技术经验发明出量子技术人工物。

量子信息技术更是量子理论的产物。因此，量子技术必定是量子理论的应用。