来源：科技导报

作家：乔笑斐、路昊明、高策

当作大家厚爱的新兴计谋技巧焦点，量子信息技巧依然在量子打算与量子通讯等领域取得了打破性进展。从科学史的角度来看，量子信息窜改与发生在20世纪的第1次量子窜改在旨趣和内涵等方面存在着权贵区别，对翌日的科技发展计谋也有着平直影响。梳理了量子纠缠与量子信息技巧的演变过程，分析了量子信息技巧在科学、技巧、形而上学等多个层面的窜改性特征，回归了量子信息窜改对翌日科技计谋及科学发展模式的意旨与启示。

2022年10月4日，瑞典皇家科学院通知2022年诺贝尔物理学奖授予阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·克劳泽（John F. Clauser）和安东·蔡林格（Anton Zeilinger），以赏赐他们在“纠缠光子实验、考据贝尔不等式的违背和始创量子信息科学”作念出的前驱性孝敬。从爱因斯坦等提倡试图阐发量子力学不完备的EPR佯谬，到贝尔不等式的提倡与历次实验教育，再到量子信息技巧激励第2次量子窜改，以量子纠缠为基础的一系列研究依然涌现出要紧且潜入的影响。

21世纪以来，以量子通讯、量子打算为代表的量子信息科学得以建立，开启了从经典技巧迈进量子技巧的新量子期间。量子信息窜改的窜改性发扬为3个方面：最先，以量子打算、量子通讯为代表的量子技巧和产业依然初步建立，并对翌日科技产业形成窜改性影响；其次，量子技巧的发展将进一步股东基础科学的发展，如量子力学的实践、量子引力等，股东新的科学窜改，进而股东形而上学不雅念的变革；终末，在科技计谋层面，基于量子信息窜改的强劲后劲，可能成为继芯片竞争之后的又一科技战的竞争焦点，需要在国度层面进一步全面、深度进行布局。

量子纠缠实验助推量子信息窜改

从政策脉络来看，“国优计划”的产生有迹可循。2018年，中共中央、国务院发布《关于全面深化新时代教师队伍建设改革的意见》，提出到2035年，教师综合素质、专业化水平和创新能力大幅提升，培养造就数以百万计的骨干教师、数以十万计的卓越教师、数以万计的教育家型教师。2022年，教育部等八部门印发的《新时代基础教育强师计划》中提出，到2025年，要建成一批国家师范教育基地，形成一批可复制可推广的教师队伍建设改革经验，培养一批硕士层次中小学教师和教育领军人才的目标。可以看出，“国优计划”在政策行动上是一脉相承的，是对强国必先强师的回应，同时也开启了基础教育教师队伍建设的新阶段，具有多方面的重要意义。

1935年，爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和纳森·罗森（Nathan Rosen）提倡了著名的EPR佯谬，即量子力学中一种“反常”的量子非定域性风光与定域实在论相违抗。EPR佯谬受到物理学界的世俗推敲，这种量子非定域性风光被埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）定名为量子纠缠，而定域隐变量表面当作一种量子力学的潜在解释，其是否成立便成为学界争论的焦点。

皇冠体育hg86a

1964年，约翰·贝尔（John S. Bell）提倡了著名的贝尔不等式，将EPR佯谬从想想实验引向实验考据。字据贝尔不等式，要是存在荫藏变量，则测量欺压之间的关系性将不会卓绝某个值，这就不错通过实验的神气来教育量子性情究竟是由定域隐变量决定的，照旧由非定域的量子纠缠所导致。

由于贝尔不等式中的两比特系统不易于实验教育，1969年，克劳泽、迈克尔·霍恩（Michael A. Horne）、阿布纳·希芒尼（Abner E. Shimony）和理查德·霍尔特（Richard A. Holt）在贝尔不等式的基础上提倡了CHSH不等式，使得更相宜实践操作的实验成为可能。

1972年，克劳泽与斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）合作完成了首个贝尔不等式教育实验，其欺压以6个范例偏差违背了贝尔不等式，意味着量子力学的预言是正确的，而定域隐变量的假定与物理系统的实践行径并不一致，但此实验存在定域性谬误（locality loophole），承袭的测量神气也不是随即采取的。而后几年间，又有多个小组进行了关系实验，其中以阿斯佩在1981—1982年的实验最为著名。阿斯佩与菲利普·格兰杰（Philippe Grangier）等合作家对克劳泽实验的装配和想象进行了改进，最终发现了对贝尔不等式卓绝40个范例差的惊东谈主违背，以极高的真实度考据了量子力学的正确性，但并莫得真的关闭定域性谬误。

1998年，蔡林格与格雷戈尔·韦斯（Gregor Weihs）、托马斯·詹尼温（Thomas Jennewein）等合作家在阿斯佩实验的基础上作念了进一步改进，在更严格的意旨上关闭了定域性谬误，其欺压依然违背了贝尔不等式，任何体式的定域隐变量表面都无法描写量子力学。蔡林格的另一项迫切成便是与桑杜·波佩斯库（Sandu Popescu）的团队分手于1997年孤独完成了量子隐形传态（quantum teleportation）的实验考据，此表面由查尔斯·本内特 （Charles H. Bennett）等于1993年提倡。量子隐形传态以量子纠缠为基础，大致完了量子信息的汉典传输，在量子通讯和量子打算中表现着迫切作用。其后，蔡林格还参与了由诺贝尔物理学奖得主安东尼·莱格特（Anthony Leggett）提倡的对于非定域隐变量表面的莱格特不等式的教育责任，实验欺压是量子力学违背了莱格特不等式，这意味着定域实在论与非定域实在论都无法描写量子力学，试图通过检阅量子力学使之与经典物理学进行和会的努力都以失败告终。

20世纪90年代，跟着量子隐形传态、量子不可克隆旨趣（quantum no-cloning theorem）、量子密码学（quantum cryptography）、量子密钥分派（quantum key distribution）、量子比特（quantum bit）、量子逻辑门（quantum logic gate）、多依奇-乔萨算（Deutsch–Jozsa algorithm）、肖尔算法（Shor's algorithm）、格罗弗算法（Grover's algorithm）等表面的日益熟悉，杰拉德·密尔本（Gerard J. Milburn）对量子信息技巧的远景进行了详备描写，并与乔纳森·谈林（Jonathan P. Dowling）于2003年总计提倡了“第二次量子窜改”的认识。

21世纪以来，以量子纠缠为基础的量子信息技巧从科学表面走向了实践应用，在量子通讯、量子打算、量子精密测量等领域取得了许多迫切成立，第2次量子窜改正在吵吵闹闹地进行着。比年来，量子打算原型机“九章”使中国完了了“量子优厚性”，“墨子号”量子科学实验卫星先后于2017年和2022年完了了地空与地表的1200km量子纠缠及量子隐形传态，中国正在成为第2次量子窜改的领跑者。

量子信息技巧窜改性的发扬

在推敲量子信息窜改即第2次量子窜改之前，最先有必要对第1次量子窜改进行求教，在此基础上进一步比较二者的区别和计划。

01 不透澈的第1次量子窜改

第1次量子窜改发生在20世纪初，启动于解释黑体放射实验的表面尝试，并产生了一系列全新的认识。第1次量子窜改的窜改性包括3个方面：最先是东谈主类不雅念的变革，量子力学实践上的随即性透澈颠覆了牛顿的机械决定论，给东谈主类想维神气带来了极大冲击；其次是对技巧和坐褥力的变革，催生了许多应用——原枪弹、激光、半导体、原子钟、芯片、核磁共振成像、超导磁体、发光二极管、电子显微镜、光纤通讯、固态硬盘、打算机、手机等；终末，透澈革新了东谈主类的坐褥关系，举例，原枪弹的发明透澈改变了国度之间的竞争口头，半导体产业极大股东了天下经济的发展。

需要把稳的是，尽管第1次量子窜改不错说透澈改变了天下样子，成为社会跨越发展的基石和能源，关联词这场窜改并不透澈，其根底原因有2点。最先，第1次量子窜改其实践上是一场量子物资窜改，只触及对原子、电子和光子的操作式应用，并莫得全面利用量子力学的轨则，如调换态、量子纠缠等。其次，第1次量子窜改留传住了许多基础性问题莫得治理，包括：（1）测量问题，即不雅测者在测量中的地位问题；（2）微不雅和宏不雅的分界问题，即经典和量子的界限在那边？宏不雅调换态如何制备？其交壤处是否有新的物理学？（3）量子纠缠，即如何理会量子非定域性的本降低题？定域或非定域的隐变量表面存在吗？（4）量子力学与相对论的和会，即如何将2个表面结合为大一统表面？（5）违抗因果性，即如何解释量子力学对因果关系的违抗？（6）量子阐发问题（量子力学的完备性问题），即如何将量子力学当作一个全体进行完备的阐发？

02 量子信息窜改引颈新的技巧窜改

第1次量子窜改用了100年时候将东谈主类社会引进富贵的信息期间。始于21世纪的第2次量子窜改是在第1次量子窜改的基础上，进一步迈入量子信息期间。比较于传统的信息期间，量子信息在旨趣、内涵、价值等方面有着权贵的擢升。

最先，第2次量子窜改是完了对量子客体平直操控并利用量子力学的根人性轨则的透澈窜改。激光、半导体等一系列技巧仍然遵命经典物理学，这些器件仅在一些特定情况下触及量子力学轨则对于电子和光子等基本粒子的应用，不仅无法完了对单个粒子的平直操控，何况莫得触及量子纠缠、非定域性和不可克隆性等量子基础性情。往常基于量子力学旨趣的技巧仅提供了相较于经典框架内极大幅度的技巧性能擢升，而在微型化、微型化的技巧发展趋势下，经典打算机跟着芯片的圭臬越来越小，小到纳米圭臬之下时量子效应将越来越较着，不得不转向量子打算机的开发，也便是说技巧进一步的发展在想象上必须基于量子旨趣。

其次，与往常比较，东谈主类不再是量子天下的被迫不雅察者，而是不错想象、操作、传输、扰乱到量子态，完了通过对量子天下操控而改变东谈主类的糊口。往常，东谈主类凭借量子力学的端朴直致很好地理会息争释微不雅天下，如不错解释元素周期表，但不成主动想象东谈主造原子；不错解释金属和半导体的行径，但对把握它们的行径却窝囊为力。而跟着第2次量子窜改的发展，东谈主类正在积极地诓骗量子力学来改变物理天下的量子样子。举例不错主动想象并制造新的东谈主造原子，使之具有事先采取的电子和光学性情；还不错创造当然界中不存在的量子关系或纠缠物资和能量的现象，这些新的东谈主造量子态具有新的智慧度和非定域等关系性情，在打算机、通讯系统、传感器和紧凑型计量装配的发展中有世俗的应用。

终末，第2次量子窜改依然履历了漫长的表面准备，领有强劲的技巧后劲，咫尺还无法先见第2次量子窜改大致带来的全部应用。20世纪上半叶出现的普朗克公式、光电效应、玻尔原子模子、波粒二象性、矩阵力学、波能源学、不笃定性旨趣、不相容旨趣、量子电能源学、费曼旅途积分等量子力学表面为1947年的晶体管、1960年的激光器、1973年的核磁共振成像和1989年的平板电脑等一系列应用作念了铺垫。电子打算机技巧与原子能技巧、航天技巧成为了第3次工业窜改的中枢，东谈主类从电气期间进入信息期间。而在第1次量子窜改后期阶段，尤其是自1982年的阿斯佩实验以来，量子纠缠、量子不可克隆旨趣、量子隐形传态、量子密码学、量子比特、量子算法共同为第2次量子窜改作念了铺垫。相较于第1次量子窜改跨越半个世纪的应用技巧发明周期而言，咫尺仍处于第2次量子窜改的初期阶段，但量子通讯和量子打算领域的打破性成立已展现出量子信息技巧的要紧价值，其应用远景绝顶开阔，还有许多未知的应用有待进一步的技巧创新。

03 量子信息窜改引颈新的科学窜改与形而上学窜改

2014年，《Nature》杂志发表牵记贝尔定理提倡50周年的指摘：揭开“量子谜团”！这美艳着量子力学发展的一个全新的着手。第1次量子窜改并莫得露出量子论的实践，更多是将表面转换为技巧，而第2次量子窜改不仅要不绝发展量子技巧，更迫切的是追问“为什么”，要对量子力学的基础窘境给出解答。比较于第1次量子窜改，东谈主类对量子力学有了愈加深刻的意志，关联词咫尺并未颠覆和打破第1次量子窜改。因此，复旦大学物理学系教训施郁称之为“不绝量子科学窜改”（continuous quantum revolution）：“量子窜改一直在延续地发生，并将不绝下去。量子力学基欢喜趣还有未绝对治理的问题”。咫尺，万般量子纠缠实验的完了，依然大大加深了东谈主类对量子力学实践的意志，代表性的有以下5点。

1）对定域性和实在性的挑战。实验欺压涌现贝尔不等式和CHSH不等式的违抗，辩白了爱因斯坦的定域实在论，关联词究竟是定域性错了，照旧实在性错了，又或是两者都错了，还莫得定论。实验涌现，莱格特不等式的违抗意味着非定域实在也被证伪，综合起来是在量子力学中证伪了实在论。尽管量子力学的非定域非实在性质仍不决论，关联词也足以对传统形而上学组成极大的挑战。

2）消弭微不雅与宏不雅的界限。1935年，薛定谔提倡了著名的“薛定谔的猫”想想实验，深刻揭示了微不雅和宏不雅风光的冲突。对此，哥本哈根派别以为存在2个割裂的系统，即宏不雅系统遵守经典定律，而微不雅系统受命量子定律，被称为“海森堡切割”（Heisenberg cut）。1970年，表面物理学家迪特尔·泽（H. Dieter Zeh）提倡了量子退关系（quantum decoherence）的认识，由于与环境的作用导致系统的量子性情消除，从而解释了微不雅和宏不雅并无昭着界限。物理系统的大小自己并不成放置量子效应，激光、玻色-爱因斯坦凝合态、超导体和极低温下的超流都依赖于宏不雅量子效应。

3）对体式逻辑推理的挑战。Hardy定理是表面物理学家卢西安·哈迪（Lucien Hardy）于1992年提倡的一种研究贝尔非定域性的“无不等式症结”，使用弱测量技巧研究偏振光子的相互作用。实验欺压标明，Hardy佯谬也证伪了定域隐变量表面。Hardy佯谬中，不错构造出3个几率P1、P2和P3，当设定这3个几率都为0时，那么按照经典逻辑推理（定域隐变量表面），一定不错推出P4为0。关联词，字据量子力学却不错推出非0的几率P4，对于两比特偏振光子，最大可达约0.09。从这个意旨上说，量子力学打破了经典物理学中无孔不入的逻辑推理。

4）虚数实在性的阐发。2022年1月，中国科学技巧大学教训潘建伟团队利用超高精度超导量子露出完了笃定性纠缠交换，以卓绝43个范例差的实验精度阐发了实数无法完好描写范例量子力学，竖立了复数的客不雅实在性。杨振宁曾将包含复数的相位因子概述为20世纪物理学3大主旋律之一。最先，虚数引入量子力学时仅被视为数学器具，到20世纪70年代物理学家们才发现相位因子联接了总计20世纪物理学的发展——从德国物理学家赫尔曼·外尔（Hermann Weyl）引入范例表面，到杨振宁与罗伯特·米尔斯（Robert Mills）发展范例场，再到弱电调治表面和粒子物理学范例模子的建立。另外，阿哈罗诺夫-玻姆效应（Aharonov–Bohm effect）和贝里相位（Berry phase）的研究揭示了量子系统的全体性、非定域性和空间拓扑性质。万般迹象标明，虚数以及由其组成的相位因子深刻揭示了量子力学的实践，是探索量子实践的一条迫切痕迹，但咫尺还未引起鼓胀珍贵。

5）对传统物资不雅的挑战。咫尺物理学家对于物资天下本原的探求依然深入时空配景，从经典的物资实体走向量子化的信息实体。2006年，好意思国物理学家塞斯·劳埃德（Seth Lloyd）从量子信息的视角登程，提倡了“万物源于量子比特”（it from qubit）。不久，英国物理学家弗兰克·克洛斯（Frank Close）指出：“物理学家的一个深广共鸣是：万物包括时空矩阵等等来源于量子真空（quantum vacuum），烦扰的真空为理会当然万物创生于虚空——量子泡沫（quantum foam）提供了深刻的含意。”在黑洞研究中，物理学家也尝试将量子纠缠引入，以破解黑洞信息悖论。总之，翌日假如存在一个调治表面的话，量子纠缠和量子信息一定是占据中枢肠位的，这也必将为传统的物资不雅带来窜改性变革。

量子信息窜改对翌日科技计谋的启示

量子信息窜改不仅引颈了技巧、科学和形而上学的变革，对翌日的科技政策发展也具有启发意旨，新的大科学模式正在兴起。

01 旧大科学模式的闭幕

20世纪科技政策的中枢特征被称为“大科学”模式，其中枢特征可概述为“大组织、大机器、大政事”。二战时的曼哈顿计划充分涌现了基础研究不错改变历史程度，并转换为军事力量，这为欧洲和好意思国的战后科学政策奠定了框架。

1945年，好意思国科技照管体系的奠基东谈主万尼瓦尔·布什（Vannevar Bush）发布《科学——无尽头的前沿》申报，提倡“基础研究是技巧越过的引颈者”，平直股东了好意思国将大科学计谋定为国度计谋，并建立了政府买单、大领域进入基础科学，进而促进技巧创新的“科技发展的线性模式”，科学史家斯图尔特·莱斯利（Stuart W. Leslie）将其称为“军工-工业-科学综合体”。其中，大科学最典型的代表是大型粒子加速器，其曾一度成为好意思苏科技战竞争的焦点，更高的能量、更大的领域成为追求的贪图。多年间，大科学极地面股东了对于当然天下表面学问的越过，并带来了互联网等附带技巧应用。但跟着苏联解体，好意思国最大的加速器名目超导超等对撞机（superconducting super collider）于1993年罢手建立，传统的大科学模式落下帷幕。诚然咫尺哨国仍在积极建立大科学装配，但所以举国之力进行竞争的期间依然收尾。

一方面，冷战时期的大科学模式并莫得充分欢畅技巧创新的需要。历代大型粒子加速器使得广阔粒子物理实验得以完成并屡次获取诺贝尔奖的酷好，关联词大型加速器大致平直创造的阛阓价值却是有限的，有着迫切应用价值的相通是微型加速器。另一方面，以物资研究为代表的基础物理学在范例模子完成以后基本处于迷濛现象。表面物理学家萨拜因·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）以为“停滞”的原因“不在于实验，而是在于表面物理学家的大都演叨展望”。在21世纪以来的无数个粒子物理学实验中，挑升旨的欺压很少，东谈主们对暗物资和暗能量仍然知之甚少，也莫得发现新的粒子、新的维度、新的对称性，这种“停滞”与量子信息科技的闹热发展形成了较着对比。

在第3次科技革掷中创造最多经济价值确当属电子打算机技巧，其中的大多数后果基于的所以量子力学和凝合态物理学为代表的小团队创新。举例著名的贝尔实验室（Bell Labs），出生了晶体管、激光器、C言语、C++言语、UNIX操作系统、太阳能电板、发光二极管、数字交换机、电荷耦合器件、电子数字打算机、蜂窝转移通讯开拓等广阔要紧发明。事实上，基础研究对于永远的科学发展和技巧越过如实起着至关迫切的作用，物资结构研究除外的许多基础研究可谓是百花都放，从半导体、激光、打算机、纳米材料，到量子通讯、量子打算、量子精密测量，量子力学展现了充分的后劲。

02 新大科学模式的兴起

与冷战时期比较，现时总计天下科学政策的首要贪图在于：通过前沿科技的发展，进而促进经济的增长，其中枢是阛阓逻辑主导的。实践上，大科学模式并未闭幕，仅仅发生了退换，需要将科研重心放在一些更有价值的领域，举例芯片和量子信息。两次量子窜改非常发展模式特色对比见表1。

表1 2次量子窜改特色对比

图片

对于中国而言，好意思国正在主导一场针对中国的“技巧战”，首当其冲的就所以芯片为中枢的高技术领域。此时，阛阓逻辑依然失效，中国必须进一步建立以国度力量为主导的新式大科学模式，对应于旧大科学模式的“军工-工业-科学综合体”，新式大科学模式为“产业-技巧-科学综合体”。布什的“科学带领技巧发展”的线性模式已不再适用，如今科学-技巧-产业依然深度和会，需要国度-企业-高校几个研究主体的深度和会。中国在芯片领域的过失，很大程度上是由于在芯片领域基础科学、技巧齐集、产业结伙3个方面均处于弱势的欺压。中国必须进一步建立以国度力量为主导的新式大科学模式。在鼎力营救基础研究的同期，关系政策也要随期间变化进行必要调养，围绕国度发展谋划和翌日产业布局，合理优化科研进入与名目分派。中国在量子信息领域的前瞻部署依然取得权贵奏效，但在海外关系变化复杂的情况下，中国翌日需要耐久应酬好意思国对华“技巧战”并实时调养自身的科技创新轨制，聚拢力量发展上风领域。

另外，传统大科学研究的“大团队、大名目”照管模式也需要进一步优化，邃密化配合体系或将成为新趋势。如中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所长处王贻芳就鼎力提倡在中国科学院高能物理研究所践诺“矩阵式照管轨制”，有用幸免课题负责东谈主制在大科学研究中的低效问题。以往的大科学名目相通离不开大预算、大团队、大装配、大合作；而如今在芯片和量子信息领域，触及大都的盛开性、细分领域是无法提前谋划的，需要小团队邃密化、协同化合作，以细化任务、分组带领的神气擢升科研遵循。

因此，应当探索建立将大科学的国度计谋上风与小团队的细化单干体系相结合的新式大科学模式，将芯片和量子信息等前沿科技纳入国度翌日发展计谋，充分表现自身上风股东创新，加速、攥紧掌捏中枢技巧与发展机遇，加大东谈主才培养力度，在量子信息窜改的海浪中接力前进、不绝领跑。

结 论

量子信息窜改是中国科技发展的要紧历史机遇，对于中国科技发展有着迫切意旨。正如中国科学院院士薛其坤所说：“第2次量子窜改是我国几百年来第1次有才能有基础全面介入和参与的一次技巧窜改，是中华英才在伟大申报程度中的一次要紧机遇”。在3次工业窜改和第1次量子革掷中，中国永远在学习和追逐西方，原创性中枢技巧不及，而咫尺中国的量子信息科技已处于天下第一方阵，在此基础上应当再接再厉，加大都子科技东谈主才培养力度。量子信息技巧有望与东谈主工智能、机器东谈主技巧成为第4次工业窜改的迫切引擎，股东东谈主类从信息期间跨入量子信息期间。中国正在完了从天下科技窜改的过时者、学习者、追逐者向创新者、孝敬者、引颈者的要紧退换。