一文带你回顾百年量子信息发展进程

迄今为止，量子科技已有百余年的发展史，而量子信息自诞生以来则仅仅40年，但其重要性却不言而喻。量子信息是下一代信息技术发展的战略方向，我国将量子信息等前沿领域列为事关国家安全和发展全局的“国家战略科技力量”，并提出要加强基础研究、注重原始创新，优化学科布局和研发布局，推进学科交叉融合，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。纵观其发展历程，大致可以分为三个阶段：

量子力学基础理论诞生至完善阶段（1900s-1930s）

1900年，普朗克（Max Plunk）为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难提出了辐射量子假说，揭开了量子力学理论发展的序幕。

1905年，爱因斯坦提出光量子假说、运用能量子概念使量子理论得到进一步发展。

1913年，玻尔在他的第二篇论文中以角动量量子化条件作为出发点来处理氢原子的状态问题，得到能量、角频率和轨道半径的量子方程。

1916年，美国物理学家密立根对爱因斯坦的光电方程作出了全面的验证，光量子理论开始得到人们的承认。

1923年，德布罗意在其论文中发表著名的德布罗意假说：实物粒子和光一样，也具备波粒二象性；N 玻尔正式提出对应原理，这是他创立原子理论（量子力学的早期形式）的思想精华。

1924年，泡利在文章《原子内的电子群与光谱的复杂结构》中提出了“不相容原理”，表明两个全同的费米子不能处于相同的量子态。

1926年，奥地利科学家薛定谔使用非相对论方法，得到了一个比原来还简单的波动方程，即薛定谔方程（量子力学中的一个基本方程）。

1927年，海森堡利用γ射线显微镜发现了“不确定性定原理”。

1928年，狄克拉将《电子的量子理论》分两部分别发表于《皇家学会会报》1月和2月号上，文中提出了电子相对性波动方程即狄克拉方程。

至此，经过玻尔（Bohr）、德布罗意（Duc de Broglie）、薛定谔（Erwin Schrödinger）、玻恩、狄拉克（Paul Dirac）等多位物理学家开创性的研究与发现，量子力学的理论体系初步建成，并与爱因斯坦的相对论并称为现代物理学的两大支柱理论。

规范理论快速阶段（1930s-1970s）

1930年前后，量子力学成功地把人类对世界认知的深度扩展到了基本粒子的世界，并由此带动了量子电动力学（ QED）的快速发展。作为基本粒子物理学的语言——量子电动力学，在量子力学与狭义相对论结合下诞生。以“非阿尔贝规范场理论”为代表的规范理论为这个阶段打上了属于自己的量子物理学烙印。

1932年，美国物理学家安德森（Carl David Anderson）和英国物理学家布莱克特共同发现正电子，前者于1936年获得诺贝尔物理学奖。后者由于在1948年改进了“威尔逊云室方法及由此做出的在核物理领域和宇宙射线方面的一系列发现”，而获得诺贝尔奖。

1935年，阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森提出对量子体系完备性的质疑，即ERP悖论。

1942年，名古屋帝国大学教授坂田昌一根据量子场论提出了新的理论——双介子理论（double meson theory）。

1954年，杨振宁与米尔斯（Mills Roberts）共同提出“非阿尔贝规范场理论”，这个理论综合了自然界的物理定律，给人类对宇宙基本作用力和自然规律提供了理解。

1964年，西欧核心联合研究中心的约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）在论文《论ERP佯谬》中导出了一个双粒子自旋系统的不等式，即“贝尔不等式”。

1970年，哥伦比亚大学的研究生斯蒂芬·威斯纳（Stephen Wiesner）和哈佛大学生查理·贝内特（Charles Bennett）谈话中首次提到“量子信息学”，并将香农的信息理论和量子物理相结合，建立了度量量子纠缠和刻画量子信息的获取、传递及处理过程的新体系。

量子信息学理论与应用加速发展阶段（1970s至今）

1981年，MIT联合IBM第一次举办量子物理计算大会，在这次会议期间，诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼（Richard Phillips Feynman）首次提出将量子力学理论与计算机技术相结合的概念。

1984年，美国科学家Charles H. Bennett和加拿大科学家Gilles Brassard提出BB84协议，是国际上首个通用的量子密钥分发协议。

1994年，美国科学家肖尔（Peter Shor）发明了一种因数分解的量子算法，可以将因数分解计算量减少到多项式级别。

1997年，赛格林、潘建伟等在《自然》上发表了《实验量子隐形传态》，第一次实现了量子隐形传态，并入选了《自然》“百年物理学 21篇经典论文”。

21世纪10年代，韩国、加拿大、中国科学家提出了诱骗态协议，使得安全传输距离可以提高到百公里的量级；中科院潘建伟团队在青海湖的湖心岛实现了百公里级的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，验证了量子通信卫星的可行性；潘建伟和陆朝阳等人在《自然》上发表了《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》，首次实现了多自由度量子隐形传态。

2016年，我国发射世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”；潘建伟团队实现了10个光子比特和10个超导量子比特的纠缠，刷新了以前同一研究组创造的8个光子纠缠的世界纪录；中科院、清华大学等单位将量子密码术的安全传输距离提高到了404公里。

2017年，我国开通了世界上第一条量子保密通信干线——“京沪干线”；中科大潘建伟、彭承志等人在国际上首次实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发；中科大潘建伟和陆朝阳等人宣布造出了世界上第一台超越早期计算机电子计算机的光量子计算机；中科大潘建伟、彭承志等人宣布在国际上首次实现了从卫星到地面的量子秘钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。

2018年3月，俄杜布纳联合核子研究所建成了新型超级计算机“格沃伦”，其理论浮点运算峰值为每秒1000万亿次（单精度）或500万亿次（双精度）。

中科大潘建伟团队实现了18个光子的纠缠态，刷新了以前同一研究组创造的10个光子纠缠的世界纪录。

2019年，中科院潘建伟、陈宇翱、徐飞虎等人在宣布在世界上首次实现了全光量子中继；中科大、清华大学、中科院上海微系统所在300公里真实环境的光纤中实现了双场量子密钥分发实验；美国量子计算机谷歌研究院宣布新的 53 位量子计算机Sycamore 处理器实现了所谓的“量子霸权”；

2020年，中科大、清华、济南量子技术研究院等单位合作，首次实现500公里级真实环境光纤的双量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发，传输距离达到509公里；IBM推出了53量子比特的量子计算机，并计划向外部用户开放使用。

可以看出，20世纪末期以来，量子力学不再是理论物理学家和数学家感兴趣的对象，实验物理学家和工程师们已经将其作为一种能够创造巨大价值的重要技术手段。从1970年量子比特首次被提出，量子信息学先后实现了量子电路、量子隐形传输、量子拓扑序、量子因数分解、量子纠错、量子卫星、量子通信网络的实践和应用。量子信息学技术力量和装置正在应用于社会发展的每个行业并发挥显著的作用。

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