起首：科技导报

作家：乔笑斐、路昊明、高策

算作各人肃肃的新兴战术时刻焦点，量子信息时刻也曾在量子操办与量子通讯等畛域取得了冲破性进展。从科学史的角度来看，量子信息转换与发生在20世纪的第1次量子转换在旨趣和内涵等方面存在着显贵区别，对将来的科技发展战术也有着径直影响。梳理了量子纠缠与量子信息时刻的演变过程，分析了量子信息时刻在科学、时刻、形而上学等多个层面的转换性特征，转头了量子信息转换对将来科技战术及科学发展模式的真理与启示。

2022年10月4日，瑞典皇家科学院告示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、考证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。从爱因斯坦等提议试图证明量子力学不完备的EPR佯谬，到贝尔不等式的提议与历次实验窥伺，再到量子信息时刻激励第2次量子转换，以量子纠缠为基础的一系列研究也曾表示出要紧且深远的影响。

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21世纪以来，以量子通讯、量子操办为代表的量子信息科学得以建立，开启了从经典时刻迈进量子时刻的新量子期间。量子信息转换的转换性表现为3个方面：起先，以量子操办、量子通讯为代表的量子时刻和产业也曾初步建立，并对将来科技产业酿成转换性影响；其次，量子时刻的发展将进一步激动基础科学的发展，如量子力学的骨子、量子引力等，激动新的科学转换，进而激动形而上学不雅念的变革；终末，在科技战术层面，基于量子信息转换的庞杂后劲，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转换

1935年，爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和纳森·罗森（Nathan Rosen）提议了着名的EPR佯谬，即量子力学中一种“反常”的量子非定域性时局与定域实在论相对抗。EPR佯谬受到物理学界的平凡筹商，这种量子非定域性时局被埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）定名为量子纠缠，而定域隐变量表面算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。

1964年，约翰·贝尔（John S. Bell）提议了着名的贝尔不等式，将EPR佯谬从想想实验引向实验考证。字据贝尔不等式，如若存在荫藏变量，则测量远离之间的计议性将不会高出某个值，这就不错通过实验的方式来窥伺量子秉性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窥伺，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议了CHSH不等式，使得更稳妥履行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窥伺实验，其远离以6个要领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履行行径并不一致，但此实验存在定域性马虎（locality loophole），接收的测量方式也不是迅速选拔的。而后几年间，又有多个小组进行了计议实验，其中以阿斯佩在1981—1982年的实验最为着名。阿斯佩与菲利普·格兰杰（Philippe Grangier）等合作家对克劳泽实验的安设和设想进行了改进，最终发现了对贝尔不等式高出40个要领差的惊东谈主违背，以极高的实在度考证了量子力学的正确性，但并莫得果然关闭定域性马虎。

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，在更严格的真理上关闭了定域性马虎，其远离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述量子力学。蔡林格的另一项热切成即是与桑杜·波佩斯库（Sandu Popescu）的团队分辨于1997年零丁完成了量子隐形传态（quantum teleportation）的实验考证，此表面由查尔斯·本内特 （Charles H. Bennett）等于1993年提议。量子隐形传态以量子纠缠为基础，粗略兑现量子信息的费力传输，在量子通讯和量子操办中阐述着热切作用。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）提议的对于非定域隐变量表面的莱格特不等式的窥伺使命，实验远离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述量子力学，试图通过改良量子力学使之与经典物理学进行交融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）等表面的日益老练，杰拉德·密尔本（Gerard J. Milburn）对量子信息时刻的远景进行了详备描述，并与乔纳森·谈林（Jonathan P. Dowling）于2003年一齐提议了“第二次量子转换”的主张。

21世纪以来，以量子纠缠为基础的量子信息时刻从科学表面走向了履行应用，在量子通讯、量子操办、量子精密测量等畛域取得了许多热切设立，第2次量子转换正在蒸蒸日上地进行着。比年来，量子操办原型机“九章”使中国兑现了“量子优胜性”，“墨子号”量子科学实验卫星先后于2017年和2022年兑现了地空与地表的1200km量子纠缠及量子隐形传态，中国正在成为第2次量子转换的领跑者。

量子信息时刻转换性的表现

在探讨量子信息转换即第2次量子转换之前，起先有必要对第1次量子转换进行表现，在此基础上进一步比较二者的区别和计议。

01 不透顶的第1次量子转换

第1次量子转换发生在20世纪初，开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主张。第1次量子转换的转换性包括3个方面：起先是东谈主类不雅念的变革，量子力学骨子上的迅速性透顶颠覆了牛顿的机械决定论，给东谈主类想维方式带来了极大冲击；其次是对时刻和分娩力的变革，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、操办机、手机等；终末，透顶革新了东谈主类的分娩关系，举例，原枪弹的发明透顶编削了国度之间的竞争步地，半导体产业极大激动了天下经济的发展。

需要注重的是，尽管第1次量子转换不错说透顶编削了天下面貌，成为社会跨越发展的基石和能源，然则这场转换并不透顶，其根底原因有2点。起先，第1次量子转换其骨子上是一场量子物资转换，只波及对原子、电子和光子的操作式应用，并莫得全面利用量子力学的规章，如访佛态、量子纠缠等。其次，第1次量子转换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儿？宏不雅访佛态怎样制备？其接壤处是否有新的物理学？（3）量子纠缠，即怎样领悟量子非定域性的本约束题？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交融，即怎样将2个表面招引为大一统表面？（5）对抗因果性，即怎样解释量子力学对因果关系的对抗？（6）量子解释问题（量子力学的完备性问题），即怎样将量子力学算作一个举座进行完备的解释？

02 量子信息转换引颈新的时刻转换

第1次量子转换用了100年期间将东谈主类社会引进荣华的信息期间。始于21世纪的第2次量子转换是在第1次量子转换的基础上，进一步迈入量子信息期间。比拟于传统的信息期间，量子信息在旨趣、内涵、价值等方面有着显贵的升迁。

起先，第2次量子转换是兑现对量子客体径直操控并利用量子力学的根人道规章的透顶转换。激光、半导体等一系列时刻仍然慑服经典物理学，这些器件仅在一些特定情况下波及量子力学规章对于电子和光子等基本粒子的应用，不仅无法兑现对单个粒子的径直操控，而况莫得波及量子纠缠、非定域性和不可克隆性等量子基础秉性。昔日基于量子力学旨趣的时刻仅提供了相较于经典框架内极大幅度的时刻性能升迁，而在微型化、微型化的时刻发展趋势下，经典操办机跟着芯片的要领越来越小，小到纳米要领之下时量子效应将越来越昭彰，不得不转向量子操办机的开发，也即是说时刻进一步的发展在设想上必须基于量子旨趣。

其次，与昔日比拟，东谈主类不再是量子天下的被迫不雅察者，而是不错设想、操作、传输、阻难到量子态，兑现通过对量子天下操控而编削东谈主类的生计。昔日，东谈主类凭借量子力学的规章粗略很好地领悟息争释微不雅天下，如不错解释元素周期表，但不可主动设想东谈主造原子；不错解释金属和半导体的行径，但对主管它们的行径却窝囊为力。而跟着第2次量子转换的发展，东谈主类正在积极地讹诈量子力学来编削物理天下的量子面貌。举例不错主动设想并制造新的东谈主造原子，使之具有事前选拔的电子和光学秉性；还不错创造当然界中不存在的量子干系或纠缠物资和能量的景色，这些新的东谈主造量子态具有新的贤达度和非定域等计议秉性，在操办机、通讯系统、传感器和紧凑型计量安设的发展中有平凡的应用。

终末，第2次量子转换也曾阅历了漫长的表面准备，领有庞杂的时刻后劲，咫尺还无法先见第2次量子转换粗略带来的全部应用。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。电子操办机时刻与原子能时刻、航天时刻成为了第3次工业转换的中枢，东谈主类从电气期间进入信息期间。而在第1次量子转换后期阶段，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次量子转换作念了铺垫。相较于第1次量子转换跨越半个世纪的应用时刻发明周期而言，咫尺仍处于第2次量子转换的初期阶段，但量子通讯和量子操办畛域的冲破性设立已展现出量子信息时刻的要紧价值，其应用远景异常广袤，还有许多未知的应用有待进一步的时刻创新。

03 量子信息转换引颈新的科学转换与形而上学转换

2014年，《Nature》杂志发表挂念贝尔定理提议50周年的辩驳：揭开“量子谜团”！这象征着量子力学发展的一个全新的起先。第1次量子转换并莫得深远量子论的骨子，更多是将表面转换为时刻，而第2次量子转换不仅要赓续发展量子时刻，更热切的是追问“为什么”，要对量子力学的基础逆境给出解答。比拟于第1次量子转换，东谈主类对量子力学有了愈加深刻的意识，然则咫尺并未颠覆和冲破第1次量子转换。因此，复旦大学物理学系西席施郁称之为“赓续量子科学转换”（continuous quantum revolution）：“量子转换一直在延续地发生，并将赓续下去。量子力学基答允趣还有未全都治理的问题”。咫尺，各种量子纠缠实验的兑现，也曾大大加深了东谈主类对量子力学骨子的意识，代表性的有以下5点。

1）对定域性和实在性的挑战。实验远离表示贝尔不等式和CHSH不等式的对抗，皇冠下注狡赖了爱因斯坦的定域实在论，然则究竟是定域性错了，照旧实在性错了，又或是两者都错了，还莫得定论。实验表示，莱格特不等式的对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，然则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，薛定谔提议了着名的“薛定谔的猫”想想实验，深刻揭示了微不雅和宏不雅时局的冲突。对此，哥本哈根派系觉得存在2个割裂的系统，即宏不雅系统效率经典定律，而微不雅系统恪守量子定律，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）提议了量子退干系（quantum decoherence）的主张，由于与环境的作用导致系统的量子秉性散失，从而解释了微不雅和宏不雅并无表露界限。物理系统的大小自己并不可排斥量子效应，激光、玻色-爱因斯坦凝华态、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年提议的一种研究贝尔非定域性的“无不等式设施”，使用弱测量时刻研究偏振光子的相互作用。实验远离标明，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。然则，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。从这个真理上说，量子力学冲破了经典物理学中趁火抢劫的逻辑推理。

4）虚数实在性的证明。2022年1月，中国科学时刻大学西席潘建伟团队利用超高精度超导量子领路兑现笃定性纠缠交换，以高出43个要领差的实验精度证明了实数无法完竣描述要领量子力学，诞生了复数的客不雅实在性。杨振宁曾将包含复数的相位因子综合为20世纪物理学3大主旋律之一。率先，虚数引入量子力学时仅被视为数学器用，到20世纪70年代物理学家们才发现相位因子连络了通盘20世纪物理学的发展——从德国物理学家赫尔曼·外尔（Hermann Weyl）引入法式表面，到杨振宁与罗伯特·米尔斯（Robert Mills）发展法式场，再到弱电调解表面和粒子物理学要领模子的建立。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举座性、非定域性和空间拓扑性质。各样迹象标明，虚数以及由其组成的相位因子深刻揭示了量子力学的骨子，是探索量子骨子的一条热切痕迹，但咫尺还未引起填塞珍爱。

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也曾深入时空配景，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）从量子信息的视角起程，提议了“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：“物理学家的一个盛大共鸣是：万物包括时空矩阵等等起首于量子真空（quantum vacuum），欢畅的真空为领悟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，将来假如存在一个调解表面的话，量子纠缠和量子信息一定是占据中枢性位的，这也必将为传统的物资不雅带来转换性变革。

量子信息转换对将来科技战术的启示

量子信息转换不仅引颈了时刻、科学和形而上学的变革，对将来的科技政策发展也具有启发真理，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，其中枢特征可综合为“大组织、大机器、大政事”。二战时的曼哈顿商酌充分表示了基础研究不错编削历史程度，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，好意思国科技不竭体系的奠基东谈主万尼瓦尔·布什（Vannevar Bush）发布《科学——无异常的前沿》论说，提议“基础研究是时刻逾越的引颈者”，径直激动了好意思国将大科学战术定为国度战术，并建立了政府买单、大畛域参预基础科学，进而促进时刻创新的“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、更大的畛域成为追求的商酌。多年间，大科学极地面激动了对于当然天下表面学问的逾越，并带来了互联网等附带时刻应用。但跟着苏联解体，好意思国最大的加速器形状超导超等对撞机（superconducting super collider）于1993年罢手修复，传统的大科学模式落下帷幕。诚然咫尺哨国仍在积极修复大科学安设，但所以举国之力进行竞争的期间也曾远离。

一方面，冷战时期的大科学模式并莫得充分蓬勃时刻创新的需要。历代大型粒子加速器使得无边粒子物理实验得以完成并屡次取得诺贝尔奖的喜欢，然则大型加速器粗略径直创造的市集价值却是有限的，有着热切应用价值的每每是微型加速器。另一方面，以物资研究为代表的基础物理学在要领模子完成以后基本处于迷濛景色。表面物理学家萨拜因·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）觉得“停滞”的原因“不在于实验，而是在于表面物理学家的大宗造作斟酌”。在21世纪以来的无数个粒子物理学实验中，有真理的远离很少，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”与量子信息科技的蓬勃发展形成了显然对比。

在第3次科技革掷中创造最多经济价值确当属电子操办机时刻，其中的大多数恶果基于的所以量子力学和凝华态物理学为代表的小团队创新。举例着名的贝尔实验室（Bell Labs），出身了晶体管、激光器、C话语、C++话语、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、电子数字操办机、蜂窝转移通讯开荒等无边要紧发明。事实上，基础研究对于永远的科学发展和时刻逾越如实起着至关热切的作用，物资结构研究除外的许多基础研究可谓是百花皆放，从半导体、激光、操办机、纳米材料，到量子通讯、量子操办、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

与冷战时期比拟，现时通盘天下科学政策的首要商酌在于：通过前沿科技的发展，进而促进经济的增长，其中枢是市集逻辑主导的。履行上，大科学模式并未闭幕，仅仅发生了疗养，需要将科研重心放在一些更有价值的畛域，举例芯片和量子信息。两次量子转换异常发展模式特色对比见表1。

表1 2次量子转换特色对比

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对于中国而言，好意思国正在主导一场针对中国的“时刻战”，首当其冲的就所以芯片为中枢的高技术畛域。此时，市集逻辑也曾失效，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-时刻-科学综合体”。布什的“科学接洽时刻发展”的线性模式已不再适用，如今科学-时刻-产业也曾深度交融，需要国度-企业-高校几个研究主体的深度交融。中国在芯片畛域的缺欠，很大程度上是由于在芯片畛域基础科学、时刻积蓄、产业蚁合3个方面均处于弱势的远离。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。在松懈救助基础研究的同期，计议政策也要随期间变化进行必要调整，围绕国度发展狡计和将来产业布局，合理优化科研参预与形状分派。中国在量子信息畛域的前瞻部署也曾取得显贵奏效，但在海外关系变化复杂的情况下，中国将来需要历久应酬好意思国对华“时刻战”并实时调整自身的科技创新轨制，聚协力量发展上风畛域。

另外，传统大科学研究的“大团队、大形状”不竭模式也需要进一步优化，紧密化合作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松懈提倡在中国科学院高能物理研究所履行“矩阵式不竭轨制”，灵验幸免课题认真东谈主制在大科学研究中的低效问题。以往的大科学形状每每离不开大预算、大团队、大安设、大合作；而如今在芯片和量子信息畛域，波及大宗的绽放性、细分畛域是无法提前狡计的，需要小团队紧密化、协同化合作，以细化任务、分组提醒的方式升迁科研效率。

因此，应当探索建立将大科学的国度战术上风与小团队的细化单干体系相招引的新式大科学模式，将芯片和量子信息等前沿科技纳入国度将来发展战术，充分阐述自身上风激动创新，加速、捏紧掌执中枢时刻与发展机遇，加大东谈主才培养力度，在量子信息转换的波浪中死力前进、赓续领跑。

结 论

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量子信息转换是中国科技发展的要紧历史机遇，对于中国科技发展有着热切真理。正如中国科学院院士薛其坤所说：“第2次量子转换是我国几百年来第1次有智商有基础全面介入和参与的一次时刻转换，是中华英才在伟大回答程度中的一次要紧机遇”。在3次工业转换和第1次量子革掷中，中国永恒在学习和追逐西方，原创性中枢时刻不及，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，加大宗子科技东谈主才培养力度。量子信息时刻有望与东谈主工智能、机器东谈主时刻成为第4次工业转换的热切引擎，激动东谈主类从信息期间跨入量子信息期间。中国正在兑现从天下科技转换的过期者、学习者、追逐者向创新者、孝敬者、引颈者的要紧疗养。