近几年，关于量子的新闻时不时吸引公众眼球，量子霸权、量子计算、量子纠缠、量子通信等概念经常出现在新闻头条，现有加密算法是不是会被轻易破解、量子通信是不是瞬间就能完成信息传输这些问题不断勾起人们的好奇。
虽然这些概念和问题看起来高深莫测，但他们都围绕一个核心：量子。
一、什么是量子
看到“量子”这个词，很多人下意识就把它理解成某种粒子。但是初中物理老师教过我们，物质是由原子组成的，原子又是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是什么？
量子本意是一个数学概念：“离散变化的最小单元”。
什么叫“离散变化”？我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人、1/3个人。这就是“离散变化”。对于统计人数来说，一个人就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。
跟“离散变化”相对的叫做“连续变化”。例如在一段平路上，我们可以走到1米的位置，也可以走到1.1米的位置，也可以走到1.11米的位置，中间任何一个距离都可以走到，这就是“连续变化”。
显然，离散变化和连续变化在日常生活中都大量存在，这两个概念本身都很容易理解。那么，为什么“量子”这个词会变得如此重要呢？这是由于，离散变化，或者说量子化，是微观世界的一个本质特征。
微观世界的离散变化包括两类，一类是物质组成的离散变化，例如光子就是光的量子，光子是不可再分的；一类是物理量的离散变化，例如氢原子中电子的能量只能取-13.6eV（电子福特）除以某个自然数的平方（-13.6/n2 eV，n可以取1、2、3、4、5等），而不能取其他值。每一种原子中电子的能量都是量子化、离散化的，这是一种普遍现象。
发现离散变化是微观世界的一个本质特征后，科学家创立了一门准确描述微观世界的物理学理论，叫量子力学。量子力学已经有一个多世纪的历史了。但是我们说的量子计算，量子通信，却又不是力学的问题，而是量子力学与信息科学的交叉学科——量子信息学。
二、量子信息学
量子信息学是经典信息学和量子力学交汇促成的学科，是为了满足当今信息发展应运而生的学科。量子力学和信息科学之同的联系之所以能够得以建立，主要是因为人们发现，有些量子系统的特性可以在现实中加以利用，如量子测量（量子测量将不可避免地引起量子系统的扰动）的特性可以被运用到通信防窃听中，量子纠缠（处于纠缠状态的量子系统，改变单个量子的状态，其他量子会立即做出相应改变）的特性可以应用到信息传输中，量子叠加（一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上）特性则可以用到信息存储中。
量子信息学可以分为量子通讯和量子计算两个领域。量子通讯又可以分为利用量子纠缠原理实现的量子隐形传态和利用量子测量特性实现的量子密钥分发。而量子计算，主要是利用量子比特的叠加特性，加速某些特定算法的计算过程。
（一）量子通讯
1.量子密钥分发
曾经有一条刷屏的新闻：“2017年3月，中国工商银行成功应用量子通信技术实现了网上银行京沪异地数据的量子加密传输，这是全球银行业首次应用千公里级量子通信技术。”
工行新闻中提到的量子通信技术，其实是量子密钥分发。量子密钥分发是利用量子力学中“任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰”的特性，来保证通信安全性的一种技术。
1.1量子密钥分发的编码原理
发送方对光子进行编码：发送方使光子通过不同的偏振片，可以得到不同偏振方向的光子，分别为“—”、“|”、“/”、“\”，四种偏振态的光子分别编码为0、1、0、1。
接收方对光子进行解码：接收方只有两种偏振片，分别为“+” “x”，如果使用“+”偏振片，那么“—”、“|”的光子就可以顺利通过，如果“/”、“\”的光子通过“+”的偏振片，就会变成“—”或“|”，且不确定是哪一个。
双方按照如下步骤发送光子：
1)发送方随机制备一系列光子，通过自行决定的偏振片，得到一系列偏振状态的光子，并发送至接收方。
2)接收方利用随机的一系列偏振片测量光子。通过偏振片后，无论光子原本是什么状态，它的偏振态都跟偏振片一致。其中有些被改变了，有些没有。
3)接收方把自己的偏振片序列利用公共信道发给发送方。
4)发送方将接收方的偏振片序列和自己发送光子用的偏振片序列对比，就可以确定接收方哪些偏振片是正确的。然后把正确的序号通过公共信道发送至接收方。
5)接收方收到偏振片序号后，双方就约好了一组密钥（双方都明确了，在一系列光子序列中，哪些编号的光子是有效信息，剩下的都是噪音）。
1.2为何这种方法是安全的
窃密者在公共信道上只能确定接收方用的偏振片，哪些是正确的，哪些是错误的。但是，接收方的偏振片，只有“+” “x”两种，每一种都可以代表0或者1。单纯获得这个序列，无法获得任何有效信息。例如窃密者确定“+”的偏振片是正确的，但是只有发送方和接收方才知道光子到底是“—”还是“|”。如果窃密者在光子信道上插入偏振片来测量光子的状态，一旦使用了错误的偏振片，光子的状态就会改变。而这种改变，接收方利用奇偶校验很容易就可以发现。通常的做法是通信双方交换很长的光子序列，得到确认的密钥后分段使用奇偶校验核对，出错段被认为是技术误差或已被中间窃听，则整段予以删除，留下的序列就是绝对可靠的共享密钥。
1.3为何只能分发密钥，不能直接发信息
量子密钥分配光纤网络上传送的是单个光子序列，所以数据传输速度（kb/s级别）远远低于普通光纤通信网络，不能用来传送大量的数据文件和图片。量子密钥分配光纤虽然是低速网络，但每秒钟传送上千位的密钥没有任何问题，通信双方有确保安全的几百位长的密钥，而且可以随时更换密钥。
1.4工程实现上存在什么问题
目前量子通信必须使用点对点的专用光纤线路，而且理论上，光子在光纤中最远只能传输100公里，因此在工程实现中，必须使用光子中继站来延长通信距离。这种光子中继站，跟通常光通讯中的信号放大中继不同，理论上我们无法接收一个光子，并在不改变光子状态的情况在转发，中继站实际上是解析了光子的信息，并发送包含同样信息的光子序列，相当于信息的接力传输。因此，中继站必须是绝对安全可信的。
1.5为何量子密钥分发技术如此受重视
与其它密码技术不同，量子密钥分发技术从原理上保证密钥分发是安全可靠的。我们目前广泛使用的非对称加密，原理上是有漏洞的，只是破解难度比较大。原理与实施是完全不同的两个概念，实施中的技术问题可以逐步解决，不可破译的原理才是该项技术具有发展前途的根本保证。
2.量子隐形传态
量子隐形传态是一种利用分散量子纠缠于一些物理讯息来传送量子态至任意距离任意位置的技术，它传输的不再是经典信息，而是量子态携带的量子信息。这种技术可以扩展量子网络和分布式量子计算的基础。
量子隐形传态经常能让人联想到《星际迷航》等电影中的瞬间移动，但实际上，这种技术与瞬间移动没有关系——量子隐形传态无法传递系统本身，也无法用来组合分子以在另一端组成物体。
另外，量子隐形传态并不能传送任何物质或能量，也无法传递传统的信息。量子隐形传态需要借助经典信道才能实现，在这个过程中，原物始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子态，而且发送者对这个量子态始终一无所知；接收者是将别的粒子制备成与原物完全相同的量子态，他对这个量子态也始终一无所知；原物的量子态在测量时已被破坏掉。未知量子态的这种传送，需要经典信道传送经典信息（即发送者的测量结果），传送速度不可能超过光速。
在量子隐形传态的研究领域，我国走在了前沿。2019年8月15日，潘建伟团队在国际权威学术期刊《物理评论快报》上发表文章，宣布成功实现高维度量子体系的隐形传态。这是自1997年实现二维量子隐形传态实验以来，科学家第一次在理论和实验上把量子隐形传态扩展到任意维度，为复杂量子系统的完整态传输以及发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。
（二）量子计算
2019年10月23日，谷歌量子AI团队在权威杂志《自然》（Nature）刊出了最新科研工作“Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”，论文报道了谷歌团队基于一个包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器，运行随机量子线路进行采样，耗时约200秒可进行100万次采样，并且估计如果使用目前最强超算Summit来计算得到同样的结果，需耗费约1万年。据此，谷歌宣称实现了“量子优越性”（国内媒体多译做“量子霸权”）。
有国际专家把这个成果比喻为莱特兄弟的首飞，虽然没有实用价值，但是预示了一个新技术时代即将到来的曙光。
1.谷歌做了什么
谷歌量子AI团队到底做了什么实验？他们在论文中这样介绍：为了展示量子霸权，研究者在一个伪随机量子电路输出的采样任务中将他们的量子计算机与当前最强的超级计算机进行了比较……研究者通过重复应用单量子比特和双量子比特逻辑运算来设计一组量子比特纠缠的电路。对量子电路的输出进行采样，可以产生一组比特串。由于量子干涉，比特串的概率分布类似于激光散射中光干扰产生的斑点强度模式，因此，一些比特串比其他比特串更容易出现。随着比特数和门循环数量的增加，用经典计算机计算这种概率分布的难度呈指数级增加。
这个实验的步骤可简要概括为：1.利用随机电路生成一个随机字符串；2.记录这个字符串的结果；3.不断地生成并记录结果，来研究字符串的统计特征。
在这个实验中，步骤1的耗时要比步骤2长很多。传统计算机的模式下，如果要进行100万次采样，就需要把步骤1和步骤2分别重复100万次。而在量子计算机的模式下，字符串所有可能的组合，都已经叠加在一起，只有观测的时候，叠加态才会蹋缩到某一个状态。这就相当于省略掉了步骤1，我们只需要执行100万次步骤2，就能得到和传统计算机同样的结果。
用大白话讲，就是桌上有十张扣着的扑克牌，第一步，把扑克一张一张翻过来，这十张牌面的花色就形成一个字串；第二步，把这个字串记下来；第三，把牌再扣回去，洗牌，重复前两步（这步是环境初始化，不算正式实验步骤）。我们就是要把这三步重复很多次，记录下很多字串，然后研究这些字串有啥统计学上的规律，比如说前五张牌里有两个红桃的概率为30%。
这个实验第一步需要翻十次牌，第二步需要看一眼，把字串记下来。很明显第一步比第二步费事很多，如果是100张牌做实验，那第一步就得翻一百次牌，而第二步还是看一眼，记下字串。这个耗时差别就很大了。如果按照传统的方法，那得老老实实翻牌，记牌，如果有成千上万张牌的话，翻到猴年马月去也翻不完。
但量子计算机厉害的地方在于，牌本身就正面朝上放在那里了，我们不看的时候，每张牌有可能是黑红梅方中的任意一种花色，处于一种叠加态。这种看起来很模糊的叠加态，里边包含了这些牌花色所有可能的排列组合。但只要我们看一眼，他就会随机给出一种花色的组合，再看一眼，又会随机给出另外一种花色组合。这就相当于，把实验中最耗时间的第一步给省掉了，只需要做第二步就好了，大大加快了实验速度。
2.什么是量子霸权
通过这个实验，谷歌声称实现了量子霸权。那么什么是量子霸权？“量子霸权”翻译自quantum supremacy，最早出现在《MIT technology review》关于谷歌与IBM开展量子计算研究竞争的评述中。他们认为，当量子计算机发展到50量子比特的时候，就能实现“量子霸权”：超过世界上任何传统计算机，能够解决传统计算机解决不了的问题。
3.如何看待IBM对谷歌实验的质疑
虽然IBM发文质疑谷歌的实验，称谷歌对随机量子线路的经典模拟优化得并不好，如果采用内存和硬盘混合存储方案，模拟53比特、20深度的量子随机线路采样，传统计算机保守估计只需要2.5天。
但这只是对谷歌实验的质疑，并不是对量子计算潜力的质疑。火车刚出现的时候，速度甚至赶不上马车。但是工程的提升永远无法和理论的提升相提并论，量子计算对传统计算的优越性，是理论层面的优越。随着量子计算的发展，实现不可置疑的量子霸权，可能只是时间问题。
4.如何看待谷歌此次实验的意义
谷歌此次宣称的“量子优越性”，目的仅仅是为了在实验上证明量子计算机确实有超越目前最强超算的能力，这并不意味着我们已经实现了实用化的量子计算机。“量子优越性”对于量子计算的发展，仅仅是一个开始。
首先，从谷歌的工作来看，虽然他们在比特操控和读取上都达到了极高精度，但是运行20层量子线路后，保真度仅达到了0.2%，这样的精度完全无法支撑大规模量子算法的实验实现；此外，谷歌用来演示量子优越性的问题是没有实用价值的，它的目的仅在于证明量子计算的计算能力。
因此，实现通用量子计算还需要很长的时间，我们需要在量子纠错上得到突破，以实现高品质地扩展量子比特数，并探索如何有效地发挥量子计算机的优势来解决真正有用的问题。
5.量子计算未来如何发展
那么下一步，量子计算的路在何方？2019年9月15日在合肥成功举办的新兴量子技术国际会议形成了《量子信息和量子技术白皮书（合肥宣言）》，国际专家在宣言中对量子计算发展的三个阶段达成了共识，“要构建一台真正具有通用计算能力的量子计算机，仍需要长期的努力。”
为了领域的健康长期发展，除了要在基础研究领域做好操纵精度、可容错之外，规模化、实用性的量子计算研究可以沿如下路线开展。第一个阶段是实现“量子优越性”或称“量子称霸”，即量子模拟机针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，这一阶段性目标可在近期实现。第二个阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统，可在组合优化、量子化学、机器学习等方面发挥效用。第三个阶段是实现可编程的通用量子计算机，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。实现通用可编程量子计算机还需要全世界学术界的长期艰苦努力。”
6.我国处于什么研究水平
我国在超导量子计算领域起步较晚，相比于谷歌这个领头羊，我们国内的相关科研团队仍处于追赶地位。可喜的是，近年来，以中科大、浙大、中科院物理所等为代表的多个科研团队，已经突破了20个量子比特的超导量子计算技术。目前，他们正在攻关50比特量子计算技术，并有望在明年底实现“量子优越性”。因此，我国在超导领域虽与美国存在差距，但是不存在代差，如果能够得到持续的投入和支持，未来可期。
7.现有的密码系统还安全吗
首先，破解现有的RSA密码系统，理论上需要数千个逻辑量子比特。在现有的纠错率下，需要数百万个物理量子比特。而研究进展最领先的谷歌或IBM，其物理比特都没有超过100。
其次，即使未来拥有可扩展的、有纠错功能的量子计算机，它们也只能破解某些密码，而不是全部。虽然目前广泛应用的RSA、椭圆曲线加密等非对称加密算法理论上可以被破解，但是对称加密算法受到的影响很小。甚至有些非对称加密算法，至今仍然没有理论上的量子破解算法。
因此，面对目前的量子计算水平，现有密码体系还是安全的。
三、结语
我们围绕近期量子领域比较热门的两则新闻，利用新闻解读的方式，分别介绍了量子通信和量子计算的原理和研究进展，并利用问答的方式解释了公众对量子科学常见的疑问。
作为一门基础学科，量子信息学的发展有可能对全社会产生重大影响。我行金融科技战略规划中也将量子计算等前沿技术作为“ABCDMIX”之一重点关注。
量子学科成立百年有余，在早期技术大爆炸式地搭建了理论框架后，近几十年几乎陷入了停滞。但科学的每一次重大突破，必然需要长时间的探索和试错。对于该领域理论的发展以及应用的推广，我们将密切关注，积极尝试，确保技术进步的力量及时赋能金融业务。
网友评论