自20世紀90年代起，人類對量子力學基本問題的深入研究和量子調控技術的巨大進步，催生了量子信息科學這一新學科，并使其成為近年來物理學領域最活躍的研究前沿之一。
“量子客體的狀態會被測量影響，由此帶來一個革命性的觀念——觀測者的行為可以影響體系的演化。”在中國科學院第十九次院士大會第六屆學術年會上，中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉介紹了從量子物理基礎檢驗到量子信息技術的新量子革命。
兩次量子革命帶來的改變
牛頓力學理論帶來了第一次科學革命，但是經典物理學的決定論卻存在一個困境—— 一切事件都是在宇宙大爆炸時就已經確定好的嗎?個人的努力還有意義嗎?
潘建偉引用了霍金的一句話——“即使是相信一切都是上天注定的人，在過馬路時也會左右看”。他解釋說：“雖然大家對牛頓力學理論取得的成就非常滿意，但對于它蘊含的決定論，我們持有很深的懷疑。”
懷疑促成了量子力學的建立。20世紀初，隨著量子力學建立而催生的第一次量子革命，使得人類在能源、信息、材料和生命等科學領域獲得了空前的發展。
然而，基于第一次量子革命成果的多個重要產業領域都已經逐漸逼近其技術極限，進一步發展遇到嚴重阻礙。
潘建偉說：“通常人們可以采用身份認證、傳輸加密、數字認證等手段確保信息安全。然而，一旦擁有足夠強大的計算能力，所有依賴于計算復雜度的加密算法原理上都會被破解。”
同時，大數據時代人類對計算能力的需求與日俱增，但是目前擁有的計算能力十分有限，例如集全世界計算能力的總和都無法在一年內完成對280個數據的窮舉搜索。同時，隨著晶體管的尺寸逐步接近納米級，量子效應將起主導作用，晶體管的電路原理將不再適用。
幸運的是，量子力學的發展已經為解決這些重大問題作好了準備。
潘建偉介紹說，1935年，愛因斯坦等人指出，量子糾纏所體現的量子非定域性與作為經典物理學基本觀念的定域實在論之間存在尖銳矛盾。1964年，John Bell提出了Bell不等式，為實驗檢驗量子非定域性與定域實在論的矛盾提供了可量化的方案。此后，各國學者開展了大量的Bell不等式實驗研究，驗證了量子力學非定域性的正確性。
作為量子調控技術的系統性應用，量子信息技術可以在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經典技術的瓶頸，量子調控和量子信息技術的迅猛發展標志著第二次量子革命的興起。
中國量子通信技術國際領先
“發展量子通信技術的終極目標是構建全國乃至全球范圍的量子通信網絡體系。”潘建偉表示。
對于量子通信，目前國際上有兩種公認的可行途徑：一種是利用中繼器(包括可信中繼和量子中繼)進行分段傳輸;另一種是利用衛星中轉進行自由空間單光子傳輸，實現數千公里甚至是全球化的量子通信。
當前，中國在發展量子通信技術的研究和應用方面處于國際領先水平。為構建廣域量子通信系統，我國建成了首個千公里級廣域量子保密通信骨干網“京滬干線”。
同時，經過近10年的努力，科學家目前已可以用低軌衛星進行量子通信。
2016年，在中科院戰略性先導科技專項的支持下，世界上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”圓滿實現了三大既定科學目標，在國際上率先實現了千公里級星地雙向量子糾纏分發、千公里級星地高速量子密鑰分發和千公里級地星量子隱形傳態。
潘建偉說：“去年我們可以每秒鐘產生1000個密鑰，最近得到大幅度提高，現在可以每秒鐘比較穩定地產生10萬個密鑰。”
量子通信將和經典通信網絡銜接
“按照量子信息技術的發展趨勢，通過10～15年的努力，在量子通信方面有望構建完整的空地一體廣域量子通信網絡技術體系，推動量子通信技術在國防、政務、金融和能源等領域率先加以廣泛應用，實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接，為形成具有國際引領地位的戰略性新興產業和下一代國家信息安全生態系統奠定基礎。”潘建偉說。
同時，他表示，基于廣域的量子通信網絡，也將為構建大尺度、高精度的時間頻率傳遞網絡，進行量子力學非定域性的終極檢驗，以及在外太空開展針對廣義相對論、量子力學與引力的結合等物理學基本原理的檢驗提供條件。
在量子精密測量方面，有望突破與導航、醫學檢驗、科學研究等領域密切相關的一系列量子精密測量關鍵技術，并完成一批重要量子精密測量設備與系統的研制，比如高精度光鐘、遠距離頻率傳遞系統、原子陀螺儀等。
“以量子信息技術為代表的第二次量子革命為我國從經典信息技術時代的跟隨者、模仿者轉變為未來信息技術的引領者提供了機遇。量子力學從最基礎的研究出發，慢慢發展成精致的技術，變成了實用化研究。實用化發展起來的技術，又可用于支撐量子力學非定域性檢驗研究和量子引力檢驗。因此對基礎研究的肯定，無論何時都是不過分的。”潘建偉說。
