看過前面幾期專欄文章的朋友們，應(yīng)該都記住了有一個基礎(chǔ)物理學(xué)理論叫作量子力學(xué)，是20世紀初起源的。但這樣一來，立刻就會產(chǎn)生一個問題：原來量子這個詞完全不是個新詞啊，它已經(jīng)有一百多年的歷史了！那為什么它近年來在媒體中變得如此火熱呢？為什么政府工作報告中還經(jīng)常把“量子科技”稱為“未來產(chǎn)業(yè)”呢？

答案非常有趣，量子科技這個詞，可能指幾種不同的意思。

先厘清：廣義量子科技，我們每天都在用

最廣泛的意思，自然是與量子力學(xué)有關(guān)的科技。但我們在前面幾期專欄文章提過，幾乎沒有一個科技是跟量子力學(xué)沒有關(guān)系的。

?當你用電的時候，你就用到了量子力學(xué)，因為導(dǎo)電性必須用量子力學(xué)（能帶理論）才能解釋。

?甚至當你用到固體的時候，你就已經(jīng)在用量子力學(xué)，因為要深入到量子力學(xué)（泡利不相容原理），才能解釋世界上為什么會存在固體。

?更神奇的是，當你用到原子的時候，你就在用量子力學(xué)，因為只有量子力學(xué)（電子能量的量子化），才能解釋原子的穩(wěn)定存在。

所以按照這樣的理解，你很快就會發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的科技都是量子科技。這個含義太廣了，一個無所不包的名稱就失去了意義，所以很少有人會在這個意義上使用“量子科技”這個詞。

核心答案：媒體熱炒的，是 “年輕” 的量子信息

媒體現(xiàn)在報道的量子科技，十有八九指的是一門新學(xué)科：量子信息。它比量子力學(xué)年輕得多，是20世紀80年代才出現(xiàn)的。量子信息作為一門學(xué)科很年輕，作為產(chǎn)業(yè)就更年輕，還遠遠沒到成為社會支柱性產(chǎn)業(yè)的時候。但它確實具有這樣的潛力，而且有希望成為戰(zhàn)略性、顛覆性、革命性的產(chǎn)業(yè)，這就是為什么，政府工作報告中把它稱為未來產(chǎn)業(yè)。

那么，量子信息究竟是什么呢？它是一門交叉學(xué)科，量子力學(xué)與信息科學(xué)的嫁接。為什么這兩個學(xué)科要結(jié)合到一起呢？因為科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，用量子力學(xué)的原理，有可能實現(xiàn)一些傳統(tǒng)信息科學(xué)無法實現(xiàn)的效果。

1??量子通信：實現(xiàn)科幻級黑科技

量子通信（quantum communication）有很多非常震撼的應(yīng)用，例如傳送術(shù)。是的，科幻影視中的傳送術(shù)，在某種意義上變成了一個真實的技術(shù)！它的專業(yè)名稱叫作“量子隱形傳態(tài)”（quantum teleportation），實際的效果是把一個粒子的狀態(tài)傳到遠處的另一個粒子上。

量子隱形傳態(tài)

2022年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者安東·蔡林格（Anton Zeilinger）獲獎的原因之一，就是他的研究組在1997年第一次實現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)，而他當時的博士生潘建偉就是那篇論文的第二作者。量子隱形傳態(tài)大概是量子信息所有應(yīng)用中最具科幻色彩的一個。

再例如“不可破解的密碼”。學(xué)過密碼學(xué)的人都知道，這是密碼學(xué)的終極追求，人類追尋了兩千多年都不得其門而入。歷史上很多曾被認為不可破解的密碼結(jié)果都被破解了，例如納粹德國的“謎”（ENIGMA）。

恩尼格瑪密碼機

然而用量子力學(xué)的方法，我們真的可以設(shè)計出一種絕不可能被數(shù)學(xué)破解的密碼體系。這個方法叫作量子保密通信或者量子密碼（quantum cryptography），它的起源叫作BB84協(xié)議，因為它是兩個姓氏首字母為B的科學(xué)家在1984年提出來的。具體方法以后我們再介紹，在這里只是先告訴大家，用量子力學(xué)有可能實現(xiàn)密碼學(xué)的終極夢想，這是“它山之石可以攻玉”的一個驚人例子。

2??量子計算：只解決 “關(guān)鍵難題” 的算力王者

大家應(yīng)該都聽說過量子計算（quantum computing）吧。即使是對量子力學(xué)一無所知的人，可能也都聽說了量子計算機是現(xiàn)在最熱的投資領(lǐng)域之一。這個領(lǐng)域熱得甚至都有點過了，以至于許多量子計算研究者都出來說大家不要炒作，要理性認識，健康發(fā)展。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)的量子計算機“九章”

量子計算機的目標是什么呢？當然就是更強的算力。然而，它跟現(xiàn)在用的計算機即經(jīng)典計算機有個本質(zhì)的區(qū)別。經(jīng)典計算機如果升級換代，就是算什么問題都比以前快，例如80486處理器干什么都比80386處理器快。而量子計算機不是這樣，它只在處理某些特定的問題時比經(jīng)典計算機快，而不是所有問題。不過，這些特定的問題里有一些是非常重要的，例如密碼破譯、天氣預(yù)報、材料設(shè)計、交通管理等。因此，量子計算的潛力極其巨大，許多國家和企業(yè)都在爭先恐后地投入。

3??量子精密測量：把精度提升10億倍

量子精密測量（quantum metrology），顧名思義，就是用量子力學(xué)的方法，提高對某些物理量的測量精度。

能提到多高呢？一個例子中精度提升了9個量級，即10億倍的改進。一束光是由很多個光子組成的。我們現(xiàn)在用的相機，大約需要10億個光子才能成一個像素點。然而2018年以來，潘建偉院士、徐飛虎教授研究組開發(fā)了一種單光子相機系統(tǒng)，只需要一兩個光子就能成一個像素點，這是9個量級的進步！

用單光子相機對45千米外的浦東民航大廈拍照，能夠清晰解析出0.6米寬的窗口

這9個量級的進步，能帶來什么呢？一個有趣的例子，是2018年8月，研究者們在一個霧霾天對45千米外的浦東民航大廈拍照。如果用普通相機，在霧霾天，又離得這么遠，結(jié)果當然就是霧蒙蒙的一片，什么都看不見。而用單光子相機，就能得到有效的信息，再用算法逐級反演，最后就能顯示出來這是一棟大樓。因此，他們把這個技術(shù)文藝地稱為“霧里看花”。

這個方向上最新的進展是，2025年5月，研究者們首次提出并實驗驗證了主動光學(xué)強度干涉技術(shù)合成孔徑技術(shù)，實現(xiàn)了對1.36千米外毫米級目標的高分辨成像。該工作為遠距離、高精度的遙感成像和日益重要的空間碎片探測等應(yīng)用場景，開辟了新的可能性。

以后，我們會逐步地介紹量子精密測量、量子通信和量子計算。其實這三個領(lǐng)域可以理解為，它們分別是信息的獲取、信息的傳輸和信息的處理。在經(jīng)典的世界，我們自然也需要對信息進行獲取、傳輸和處理。用量子的方法，能把這些事情做得更好，這就是量子信息的價值。

避坑提醒：這些 “量子產(chǎn)品”，全是智商稅！

奇妙的是，量子科技這個詞還經(jīng)常遭到一些“機智的”廠家濫用，他們把一些八竿子打不著的甚至純粹是偽科學(xué)的東西稱為量子科技，大收其智商稅。諸如量子鞋子、量子襪子、量子保健品、量子美容品、量子護眼屏幕，甚至量子波動速讀（2019年的大笑話），居然都能忽悠到不少人。

潘建偉院士講過一個故事。他的姨媽買了一個“量子掛墜”，并跟他說：“據(jù)說利用你的這個技術(shù)可以防癌?！蔽蚁氘敃r潘院士的內(nèi)心肯定是崩潰的——這所謂量子掛墜怎么就成“我的技術(shù)”了！他只得立即辟謠：“根本沒有這回事！”

2021年4月13日，我接受央視《焦點訪談》節(jié)目的采訪，揭露了市面上一些“量子養(yǎng)生”“量子美容”產(chǎn)品的真實面目。但這種事真是野火燒不盡，春風(fēng)吹又生，時不時還會有人來問我，這個量子產(chǎn)品是不是真的，那個量子產(chǎn)品是不是真的。我只能告訴他們，正規(guī)的量子科技指的是量子通信、量子計算、量子精密測量，不是這些的所謂量子產(chǎn)品，都是假的！

《焦點訪談》 20210413 別拿“量子”當幌子

總結(jié)：懂這 3 點，你就是量子科技 “明白人”

?如果你知道幾乎所有的科技都屬于廣義的量子科技，你的知識水平就超過了90%的人。

?如果你知道現(xiàn)在媒體報道的量子科技一般指的是量子信息，還知道它分為量子通信、量子計算、量子精密測量這三個領(lǐng)域，你的知識水平就超過了99%的人。

?如果你還知道所謂量子保健品、量子美容品等都是騙人的，還能阻止別人被忽悠，你的知識水平就超過了99.9%的人。

本文摘編自《科學(xué)世界》雜志2025年第7期，文章內(nèi)容略有刪改。

新媒體編輯 | 周濛