解密量子技术：叠加、纠缠与未来应用

引言

量子技术近年来成为科技领域的热门话题。从科幻电影到新闻头条，“量子”一词频频出现，令人既好奇又困 惑。究竟什么是量子技术？简单来说，量子技术是建立在微观世界物理规律基础上的一系列新兴技术。当我们 把目光从日常宏观世界转向原子、电子这样的微观粒子时，会发现一系列反直觉的奇异现象。量子技术正是利 用了这些奇特性质，试图实现经典技术无法企及的计算能力、安全通信和极限传感。本篇文章将以通俗易懂的 语言介绍量子世界的基本概念（如量子叠加、量子纠缠、量子测量），并探讨量子技术在量子计算、量子通信、量子传感等方面的应用前景，以及当前的发展现状与所面临的挑战。

量子世界的奇异现象

量子力学颠覆了我们对物质状态和因果的直观认知。在微观尺度下，粒子的行为远不像日常物体那样确定可 测，而是充满概率和不确定性。量子技术之所以特别，正是因为利用了以下几个关键现象：

1. 量子叠加（Superposition）：微观粒子可以同时处于多个状态的叠加中，直到被观察为止。例如，掷 硬币时我们通常认为硬币正面朝上或反面朝上，但当硬币在空中旋转尚未落地时，它既非纯粹正面也非 纯粹反面，而是同时具有出正或出的反的概率 1。这种“同时处于多种可能”的状态就是量子叠加。  在量子计算中，基本单元“量子比特”（qubit）可以处于0和1的叠加态，也即同时代表0和1 。一  个著名的类比是“薛定谔的猫”，即一只被封闭在盒子里的猫，在未打开盒子观察前同时处于“生”和“死”的叠加状态，只有打开盒子测量时才随机地变为活猫或死猫。量子叠加赋予了量 子系统以强大的并行能力，但也显得十分不可思议。

2. 量子纠缠（Entanglement）：如果两个粒子发生了量子纠缠，那么无论相距多么遥远，其中一个粒子 的状态改变，另一个也会瞬间随之改变，仿佛它们之间有“心灵感应”一般。爱因斯坦曾将这种现  象称作“鬼魅般的超距作用”。纠缠使得粒子的性质紧密关联：测量一个粒子的结果会即时决定另一个 粒子的状态，即便它们相隔数光年。这一神奇特性在量子计算中被用来指数级地扩展计算能力——如果 将多个量子比特纠缠在一起，它们能够同时存储和处理的信息随着比特数的增加呈指数增长（例如2个  纠缠的量子比特可处理4种状态信息，3个纠缠比特可处理8种，以此类推）。量子纠缠也是量子通   信的基础，使远距离传输量子信息成为可能。

3. 量子测量（Measurement）：量子领域中，“测量”这个看似平常的动作本身会对粒子造成深刻影响。与经典测量不同，对量子系统的观测将不可避免地扰动被测对象，改变其原有状态。更奇特的  是，在叠加态下的粒子被测量后，会“塌缩”到某个确定的状态，而在测量前我们无法确定结果，只能 知道各种可能结果出现的概率。即使是处于相同量子状态的两个粒子，分别进行测量也可能得到完全不 同的结果，遵循的是概率分布而非确定性。简单来说，在量子世界里 “观察会改变事物本身”，测  量瞬间强制粒子选择了某个明确状态，量子叠加也随之消失。这一测量问题是量子力学的核心谜题之一，但同时也是许多量子技术（如量子密码安全性的根基）的关键所在。

以上这些量子现象听起来也许有些烧脑，但它们经过无数实验验证，是真实存在的物理行为。正是凭借叠加、 纠缠、测量这些反直觉的原理，科学家们找到了全新的技术途径。下面我们将看看这些奇异现象如何在计算、 通信和传感领域掀起革命。

量子计算：计算的新纪元

人类对更强大计算能力的追求从未停止。经典计算机使用比特（bit）以0或1的二进制编码信息，而量子计算机  使用量子比特（qubit），它可以处于0和1的叠加态，从而利用量子叠加和纠缠来并行处理信息。这意味着  量子计算机在原理上能够同时探索多个可能的解答路径，大幅提升对复杂问题的处理能力。当多个量子比特发生纠缠时，系统状态空间呈指数级增长，赋予量子计算“指数加速”的潜力。举个夸张的例子：  一台具有250个量子比特的理想量子计算机可存储的信息状态数量，超过整个可观测宇宙中原子的总数，其计算能力 之强大可想而知。

这种全新的计算模式有望解决许多经典计算机难以企及的难题。例如，在密码学领域，量子计算机可以高效运  行Shor算法分解超大整数，从而破解目前广泛使用的公钥加密体系；在药物和材料设计领域，量子计算可以直 接模拟量子层面的分子反应过程，为研发新药和新材料提供前所未有的精确工具；在人工智能和优化问题中， 量子算法（如量子退火、Grover搜索）有望以更少的步骤找到最优解。这些潜在应用让量子计算被视为各行业 的“游戏规则改变者”，预计到2035年量子计算可能产生高达数万亿美元的新价值 9。金融、交通、制药、  新材料等众多领域都在密切关注并投入研究，希望利用量子计算的威力解决实际问题。

值得强调的是，尽管量子计算有巨大潜力，但目前仍处于早期探索阶段。近年来业界在量子芯片硬件上屡创纪   录：2019年谷歌的“Sycamore”超导量子处理器实现了“量子优越性”里程碑，用53个量子比特在3分钟多时 间内完成了一项特定计算任务，而据称当时全球最快的超级计算机需耗时1万年才能完成同样任务！这一新  闻震惊了世界。不过当时的演示任务非常专门化，并非通用计算。之后，各国研究团队竞争不断升级。2024年  谷歌发布了新一代105量子比特的“Willow”芯片，据报道它能在5分钟内完成传统超算需要10^25年（千万亿 亿年）才能完成的运算，并且展示了通过增加纠错编码规模指数级降低错误率的突破。中国研制的超导量    子计算原型机“祖冲之号”系列也不断刷新比特数量纪录，最新的祖冲之三号达到可操纵105个量子比特； 中国科大潘建伟团队的“九章”光量子计算原型机已实现100个光子纠缠的量子取样实验。  IBM同样在快速  推进，其2021年的“Eagle”芯片达到127个量子比特，2022年又发布了433比特的“Osprey”处理器，并规划 在不久的将来突破千比特大关。可以说，全球正掀起一场量子计算“竞赛”，硬件能力在逐年提升。

图中展示的是谷歌量子实验室中量子计算机的低温恒温器内部结构。这一多层“金色吊灯”实际上是用于将量 子芯片冷却到接近绝对零度的特殊冰箱（稀释制冷机）。超导量子比特需要在极低温环境下工作，以消除热噪 声干扰，保持量子叠加和纠缠状态的稳定。在每一层金色圆盘上，布满了控制和读取量子比特的电子线路 和线缆。最低层（温度仅几十毫开尔文）安装着量子芯片。当运行量子计算时，经典电子控制信号通过这些线

缆传递给量子芯片上的比特进行操纵，并将结果读出。如此复杂精密的装置，正体现了目前量子计算机在工程 上所面临的巨大挑战：必须隔离外界干扰并严控环境条件，才能让脆弱的量子态存续足够长时间完成计算。

量子通信：迈向绝对安全的通信

如果说量子计算专注于信息的高速处理，那么量子通信关注的就是信息的安全传输。量子通信利用量子纠缠和量子测量原理，能够实现传统通信方式难以企及的安全保障。其核心应用之一是量子密钥分发（QKD），即利 用量子态来生成和传输加密密钥。由于量子测量会扰动系统的特性，任何窃听者试图截取量子密钥，都不可避 免地会在量子态上留下痕迹，被合法通信双方察觉。换言之，量子通信理论上可以做到“秘钥一旦被窃听  就立刻失效”，从而被认为是无法被破解的绝对安全通信方式。相比之下，我们当前使用的公开密钥加密  依赖数学难题（如大数分解）的计算复杂度，一旦遇上足够强大的计算机（如未来的量子计算机），这些加密 可能被破解；但量子加密依赖的是物理定律，只要量子原理成立，安全性就有保障。

量子通信已经从理论走向实践。早在2017年，中国科学家利用“墨子号”量子科学实验卫星，成功演示了千公  里级的星地量子纠缠分发，在北京和维也纳之间进行了世界首次洲际量子保密视频通话。这标志着量子 通信由实验室走向了全球舞台。目前中国已建成了全球首个大规模实用化的量子通信光纤骨干网络“京沪干线”，全长2000余公里，将北京、上海等城市连接起来用于政府、金融等领域的加密通信。更令人瞩目的是， 截至2024年，中国境内已建成总长度超过1万公里的广域量子保密通信网络，覆盖全国多地。欧洲、美国、日本等也在积极布局量子通信试验网络。一张“量子通信网”正渐渐成形，未来有望发展成覆盖全球的量子互联网。

上图显示的是2016年11月在中国河北兴隆进行的一次卫星量子通信实验场景：天空中墨子号量子卫星与地面站 之间建立起了明亮的红色和绿色光束链路，代表着卫星向地面同时发送一对纠缠光子信号。通过这种方式，科研人员成功实现了星地之间的量子密钥分发。从图中可以直观感受到，量子通信需要精密的光学设备和稳定的  传输渠道。在光纤中传输纠缠光子会受到损耗限制，目前量子态通过光纤直接传送的距离通常只有几百公里，

超过这个距离光子信号衰减就难以可靠探测。为扩展传输范围，科学家正研究量子中继器，试图通过一系 列节点接力传输量子态而不破坏纠缠。然而，实现成熟的量子中继非常困难，目前还处于实验验证阶段。  因此，利用卫星进行自由空间量子通信成为一种变通途径，可以跨越大气层将纠缠光子送达数千公里外。不过 卫星方案也有挑战，比如需要精确的卫星对准和高速光学跟踪技术，而且造价高昂。总的来说，量子通信已经 展现了前所未有的安全优势，但要构建全球覆盖的量子通信网络，技术上仍有许多攻坚工作要做。

量子传感：突破极限的精密探测

除了计算和通信，量子技术的另一个重要应用方向是量子传感（也称量子测量或量子探测）。量子传感是利用 量子体系对外界极其敏感的特性，来实现对物理量的超高精度测量。微观粒子的量子态对环境变化往往非  常“挑剔”，这一点对量子计算而言是个麻烦（因为容易受干扰失去相干性），但在传感领域却是福音：正因 为敏感，我们才能探测到极其微弱的信号 20。相比经典传感器，量子传感器能够将测量精度和灵敏度提升一 个数量级乃至多个数量级，探测一些原本探测不到的现象。

量子传感技术实际上已经融入我们的生活。例如，全球卫星定位系统（GPS）依赖的核心就是原子钟。原子钟 利用原子内部电子能级跃迁的频率来计时，其精度远高于传统石英钟。这使得GPS能提供纳秒级的时间同步，从而实现米级甚至更高精度的定位。再比如医院的核磁共振成像（MRI）设备中使用了超导量子干涉仪（SQUID）这种量子磁力计，可以探测极其微小的磁场变化，用来成像人体内部软组织。下面列举几个量子传感的典型例子：

• 原子钟：利用原子振荡频率稳定计时的时钟，测量时间的精度极高。原子钟是全球授时和导航（如GPS） 的基础，其误差亿万年才几秒。新一代光学原子钟进一步提高了稳定度，被用于检验引力频 移等基本物理效应。

• 量子磁力计：如超导量子干涉仪（SQUID）或基于钻石氮空位中心的量子传感器，可测量极其微弱的磁场。应用包括地质勘探（探测地下矿藏或火山活动）、医疗诊断（脑磁图测量神经活动）、导航定  位（在GPS失效环境下通过探测地球磁场异常导航 22）等。这种磁场传感器的灵敏度远超传统线圈磁  力计，被比喻为能“听见磁场细语”的传感器。

• 引力波和惯性传感：激光干涉引力波天文台（LIGO）等使用了量子压缩光技术，将测量光束的量子噪声 在一个方向上压低，从而提升对引力波信号的探测灵敏度。另外，量子陀螺仪、量子加速度计等惯性传感器利用原子干涉原理，能极高精度地测量旋转和加速度，可用于地下矿藏探测、地震监测和高精  度导航。

量子传感的魅力在于，它打开了人类感知自然的新窗口——以前我们测不到、看不清的微小变化，如今可能因 为量子技术而一览无余。从测时间、测磁场到测引力，量子传感器正在各领域展现威力。然而，要将这些尖端 仪器变得更加小型化、实用化也是一大挑战。目前很多量子传感设备仍然庞大昂贵，需要低温或真空等特殊环 境才能工作。未来的研究方向包括开发量子传感网络（将多个传感器纠缠起来协同测量，以突破单一传感器精 度限制）以及将器件微型化、芯片化，使其能够广泛部署在工业和日常应用中。

发展现状与面临的挑战

量子技术的发展既令人兴奋，又面临重重困难。如今，全球主要国家都将量子科技列为战略重点，大力投入研发。据统计，截至2023年各国政府在量子信息科学领域的公共投资累计已达数百亿美元规模。例如，美国启动了“国家量子计划”、欧盟推出“量子旗舰”项目，中国也在“十四五”规划中明确了量子科技的重大专   项。各国竞相建立量子研究院和国家实验室，争夺未来量子时代的主动权。产业界同样活跃，大公司和初创企业百花齐放，量子计算云服务、量子通信设备、量子测量仪器等商业化产品开始涌现。可以说，我们正处于量子技术从科学实验迈向产业应用的关键时期。

然而，量子技术要真正走入现实，还需跨越多座大山：

• 相干性和去相干：量子叠加和纠缠态十分脆弱，容易受到环境中热噪声、电磁干扰等影响而失去相干性（即发生“退相干”效应）。这就好比乐队演奏中稍有噪音就可能破坏和声。科学家不得不祭出各种“降噪”手段，比如将量子芯片置于超低温、高真空中，屏蔽外界干扰 14。即便如此，当前量子比特的相干维持时间仍然很短，只能执行有限深度的运算。保持量子态稳定是量子计算和量子通信的首要挑战。

• 纠错与扩展：由于量子比特容易出错，要构建大型实用的量子计算机，量子纠错不可或缺。量子纠错需 要用多个物理比特来编码一个逻辑比特，以检测并纠正错误。然而这大幅增加了所需比特数量。例如，要纠正一个逻辑比特的错误可能需要数十甚至上百个物理比特冗余。谷歌等已在实验中演示，加入  更多比特后错误率可以指数级下降。但要实现容错的通用量子计算，估计至少需要上百万比特规模  ——距离目前的百比特水平尚有几个数量级差距。这意味着硬件规模的扩展、制造工艺的提升、以及低 误差率控制都需要持续攻关。

• 集成与工程：无论是量子计算机庞大的低温系统，还是量子通信的精密光学设备，亦或是高真空的原子 传感器，要把这些实验室“巨无霸”变成稳定可靠的工程装置并批量生产，难度可想而知。目前量子设 备往往体积庞大、维护复杂、成本高昂。例如，一个超导量子计算机系统可能需要配备大型制冷机、一 整套经典电子控制系统和隔震隔音设施；量子通信网络需要在每个节点部署单光子源、探测器和复杂的 同步控制。如何降低成本、提高设备可靠性和易用性，也是业界需要解决的问题。

• 标准和安全：随着量子技术逐步走向实际应用，相关的标准制定和安全问题也浮出水面。量子密钥分发 虽然理论上绝对安全，但在实际实现中也可能出现漏洞（例如设备的侧信道攻击）。因此需要建立完善 的量子安全标准和检测认证机制，确保量子产品真的“量子安全”。另外，像量子计算一旦达到能够破 解现有加密的能力，就会对信息安全带来冲击。这就是为什么许多机构已经在研究“后量子密码学”， 以应对量子计算带来的安全威胁。在量子时代来临之前，我们需要未雨绸缪，升级现有信息基础设施的 安全体系。

尽管挑战艰巨，但量子科技领域的进展有目共睹。就拿量子计算来说，十年前人们还在为纠缠几个比特而欢呼，如今百比特纠缠已经实现；量子通信从最初几公里的光纤实验发展到如今卫星长距离链路；量子传 感器的精度纪录也在不断被刷新。每一次硬件性能的提升、每一种新的量子算法、每一次成功的远距离通信实   验，都在推动量子技术从奇思妙想走向可行。可以预见的是，在各国科研和产业共同努力下，未来5-10年内我   们将看到更多突破：或许是千比特级的量子计算原型机诞生，或许是区域量子通信网投入商用，又或许是量子   精密导航系统用于飞机和卫星。量子技术正处于从“实验室阶段”迈向“实用阶段”的转折点。

展望未来：量子时代的曙光

每当新的颠覆性技术出现，人们往往既充满期待也伴有怀疑。当前的量子技术发展有些类似20世纪中叶的计算 机革命：早期的电子计算机又大又慢、应用有限，但在几十年的改进后，如今计算机和互联网已融入社会生活 的方方面面。量子技术或许也将经历类似的道路。虽然目前我们离普及化的量子设备尚有距离，但技术曲线正 快速上升。

可以想象，在未来的某一天，医院使用量子传感器进行更早期的癌症检测；银行和政府通过量子通信网络确保 机密信息“无懈可击”地传输；工程师借助量子计算机设计出性能远超以往的新材料和新药物；我们的电子设 备中可能嵌入小型量子芯片，加速特定任务的处理。这一切听起来仿佛科幻，但正如几十年前没人能料到智能 手机的普及，量子时代的图景也可能比我们今天预想的更加精彩。

当然，在量子技术成熟之前，我们需要保持理性。媒体上有时会出现对量子科技的过度炒作，给公众带来“不 切实际的近乎魔法”的印象。实际上量子革命不会一蹴而就，也不会瞬间取代现有技术体系。它更可能是渐进 融合的过程：经典技术与量子技术将在相当长时间内共存互补，例如经典计算机负责常规任务，量子加速器用 于特定难题；经典通信网络提供基础覆盖，关键线路使用量子加密保障等。公众对于量子科技既要充满信心，也要有耐心。

总而言之，量子技术正在将曾经只能存在于理论中的奇异量子现象，转化为改变世界的实际应用。从量子叠加 的神秘莫测、量子纠缠的超距关联，到量子计算的强大算力、量子通信的绝对安全、量子传感的洞察入微，人类正一步步揭开量子世界的面纱。展望未来，随着科研人员不断攻克难关，我们有望迎来一个“量子时代”：计算更快、通信更安全、感知更精确的时代。当这一刻真正到来时，我们回首今日，会惊叹于曾经那些看似不 可思议的量子原理，如何在好奇与创造的驱动下，实实在在地改变了我们的生活。正如有人所言，“量子技术 并非魔法，但有望创造魔法般的成果”。让我们拭目以待。