量子科技公开课

2020年10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。习近平总书记在主持学习时强调，当今世界正经历百年未有之大变局，科技创新是其中一个关键变量。我们要于危机中育先机、于变局中开新局，必须向科技创新要答案。要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。 本书以通俗易懂的语言介绍了量子科技的各个重要侧面，章节的编排由浅入深，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。核心内容是讲述突破经典物理的量子性质及其应用：基于量子相干和纠缠特性的精密测量或传感，量子通信和量子计算。此外，还较为深入地讨论了量子超越性实验的未定论部分，以期激发读者进一步了解量子物理和量子科技的兴趣。适合对量子物理和相关新兴科技的前沿发展有兴趣并稍有数学和物理学基础的领导干部和普通读者。

审定者: 叶朝辉，1942年生，物理学家，中国科学院院士，中国共产党第十五、十六届全国代表大会代表。1965年毕业于北京大学无线电电子学系。从1986年起任中国科学院武汉物理与数学所（现为中国科学院精密测量科学与技术创新研究院）研究员、博士生导师，2019年3月退休。曾任该所副所长（1984—1987），所长（1987—1999），波谱与原子分子物理国家重点实验室主任（1986—1993），中国科学院武汉分院院长（1999—2007），武汉磁共振中心主任（2008—2016）。从1999年起兼任华中科技大学教授、博士生导师、理学院院长（2000—2004），武汉光电国家实验室（筹）主任（2004—2017）；曾任国家重点基础研究计划（973计划）专家顾问组成员、科技部重大科学研究计划“量子调控研究”专家组成员等。中国科学院“基于原子的精密测量物理”先导专项（B）（2016—2021）首席科学家。主要从事波谱学与量子电子学的研究，为发展我国光抽运铷原子频标做出过重要贡献。在磁共振波谱学的理论和实验方面做过系列探索，近年来致力于磁共振与生命科学的交叉研究。 撰稿人： 蔡恒进，武汉大学计算机学院管理科学与工程以及软件工程教授、博导，中国通信工业协会区块链专业委员会（CCIAPCB）副主任委员，亚洲区块链学会荣誉顾问，卓尔智联研究院执行院长。美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校空间物理博士。 施磊，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院副总设计师，中国科学技术大学理学学士、硕士，中国科学院武汉物理与数学研究所理学博士。曾获湖北省自然科学一等奖1项、全军科技进步二等奖1项。九三学社中央科普专委会委员，湖北省物理学会常务理事。? 冯芒，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院二级研究员，教授、博导。曾在多个欧洲国家的研究所和国立大学做客座科学家和研究学者，其中在意大利和爱尔兰的工作是得到欧盟委员会的经费资助，参与欧洲量子计算的研究项目。荣获中国科学院“领雁银奖”。? 姚雍，美国纽约量子计算协会资深会员，美国天普大学计算机系博士。学术研究包括量子计算，可计算性和计算复杂性理论、自动证明、人工智能、深度学习和生物信息等。后来转入美国投行工作。

前 言.................................................. 1 第一部分 历史的回响 第一讲 动魄惊心——量子力学哪里难懂..................... 3 “量子力学量力学”“遇事不决，量子力学”式的调侃让普罗大众对“量子”自动加上了魔幻滤镜。非物理专业的人士应该如何切入这个话题才不至于云里雾里？爱因斯坦称作“鬼魅”的现象到底是什么？我们能否为量子力学祛魅？ 一、粒子的双缝实验 4 二、鬼魅的超距作用 8 三、悖论性在哪里 11 四、量子技术不是纳米技术 14 第二讲 拨云见日——量子登上历史舞台..................... 17 新统一的德意志帝国雄心勃勃，决心在人工照明行业的国际竞争中获得压倒性优势，导致了量子的诞生。普朗克为解决黑体辐射的理论与实验结果的不相符的问题，提出了量子的概念；爱因斯坦提出光量子理论，完美地解释了光电效应现象；玻尔的量子化原理结构理论成功解释了原子的稳定性和氢原子的光谱结构；而德布罗意王子则进一步指出物质具有波和粒子的二相性。量子物理就此登上舞台。 一、黑体辐射 19 二、爱因斯坦的光量子 27 三、玻尔的原子 32 四、德布罗意的波粒二相性 39 第三讲 群星璀璨——物理学史上最靓群体................... 47 量子物理大厦建立的过程中，天才的小伙子们功勋卓著。泡利提出电子自旋的概念解释了磁场中氢原子谱线的四重或多重分裂，海森堡和薛定谔相继建立了矩阵量子力学和波动量子力学，波恩的概率波解释意味着量子世界遵循的是概率论而不是决定论，狄拉克给出了一套数学形式优美的量子理论，并发现了不确定原理，至此，量子物理学的大厦——量子力学得以建立。 一、泡利和海森堡 48 二、薛定谔、狄拉克和波恩 57 三、后来的佼佼者 62 第二部分 探微的螺旋 第四讲 分身千千万——量子世界有何神奇................... 69 量子性质十分神奇，无论是叠加态还是纠缠态都彻底颠覆了我们在宏观世界中习惯了的认知，也使我们对量子世界的观察和操控充满了不确定性。量子性质也非常脆弱，对一个量子态的制备、操控和观察，每一步都是对人类知识和技术的挑战。 一、量子态的叠加性 70 二、量子纠缠与EPR 佯谬 73 三、量子测量与测不准原理 77 四、脆弱的量子特性 79 第五讲 私语万里远——走向实用的量子信息技术............. 83 量子通信的绝对安全性来源于纠缠态作为通信信道。但量子态无法在实验室以外长时间保持，怎么办？当前广为人知的量子通信网络或技术并非基于纠缠态，而是基于单光子，这是怎么做到的？ 一、量子比特与量子逻辑门 84 二、由量子态的直接传送到非直接传送 87 三、量子密钥分发与走向实用的量子通信 90 第六讲 毫发分亿兆——驱动科学进步的精密测量............. 95 更好的测量手段能让我们看到前人从未看到的地方。现代科学的诞生一直是和精密测量的艺术紧密联系在一起。但精密测量的极限在哪里？引入了量子元素的精密测量可能做到绝对精准无误吗？ 一、基本物理量计量基准的量子化 96 二、精密测量的极限在哪里 99 三、测量技术的未来——量子传感 102 第七讲 百秒顶亿年——量子计算机的制造.................. 105 量子计算机代表的是一项颠覆性的未来技术，不仅会改变长期统治人类计算方式的图灵模式，而且会提升人类对量子世界的认知水平。研制量子计算机既是显示一个国家高科技实力的科技问题，也是关系到一个国家信息安全的政治问题。 一、量子计算机简史 106 二、量子算法为何有强大的功能 113 三、量子模拟——小型的量子计算 115 四、如何造出量子计算机 118 第三部分 未来的征战 第八讲 难易天堑——经典与量子计算复杂性................ 127 什么是难，什么是易？随着人类智力活动探索的不断发展，人们从数学上给出了什么是计算以及难和易的严格的模型和定义。这就是可计算性和计算复杂性理论研究的内容。由此，大量的重要的理论和实际问题的难易刻画被充分研究。这也部分揭示了人类智能之谜及其局限。 一、人类智力创造的辉煌 128 二、图灵机——什么是计算 135 三、量子计算——新的天地 145 四、难和易——人类智能的界限 154 第九讲 “量子霸权”——量子计算机能否碾压一切........ 157 理论上，目前还没有能够证明量子计算机比经典计算机快（指数倍）。同时适用规模的量子计算机目前还难以实现。人们退而求其次，先设计实验演示量子超越性。目前所做的量子超越性实验的结论理论界还在进一步讨论中。量子计算的超越性究竟是唾手可得还是水中月？ 一、名称之争——量子霸权还是量子超越性 158 二、量子超越性提出的背景 159 三、量子超越性实验 162 四、唾手可得还是水中月 174 后记.................................................. 177