近期，中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳、王辉，联合澳大利亚昆士兰大学教授Ralph和荷兰特温特大学教授Renema，受邀在《自然-材料》发表题为“可拓展光量子信息技术”的综述文章。

该论文系统性阐述了光量子态的产生、操纵以及探测的原理和技术，梳理了量子通信、量子计算、量子精密测量的国际进展，并对未来进一步如何发展大规模光量子计算、构建覆盖全球的量子网络和量子精密测量应用做了展望。

这不仅是一篇学术总结，更像是一份未来科技的“路线图”——从全球量子通信网络，到通用量子计算机，再到突破极限的精密测量，都与“光子”这一看似普通的粒子密切相关。光量子技术究竟有何独特之处？它为何被视为下一代信息革命的关键？又正在怎样从理论走向现实？

1、什么是光量子？

光量子，即光子，是光的基本粒子，在量子力学框架下展现出独特的性质。它既具有光波的传播特性，又拥有量子特有的特性，例如叠加（一个光子可以同时处于多种状态）和纠缠（两个光子可在远距离形成关联）。正是这些特性，使光量子成为量子信息的载体，可以编码、存储和传输量子态，成为量子通信、量子计算和量子精密测量等技术的基础。

要理解光量子技术的发展，还需回溯到量子力学的诞生。20世纪初，人们以为物理学已近完备，量子力学却意外诞生，揭示了叠加、纠缠等奇特规律，并以无与伦比的精确性重塑自然认知。数十年后，量子信息科学兴起，利用量子效应实现存储、传输与计算，如量子密钥分发，正推动信息安全与未来技术革新。而其中量子计算机有望指数级提升算力，量子计量学旨在利用测量过程中的量子效应，达到自然界允许的最高精度，而量子光刻技术则利用光的量子态对小于所用光波长的特征进行成像。

为开发这些未来技术，有许多物理系统正在接受研究，但涉及光量子态的系统似乎可能会发挥核心作用。光是量子通信、计量和光刻技术的合理选择，也是量子信息处理（QIP）的主要方法。

光量子技术发端于量子光学，而量子光学长期以来一直是量子信息科学的试验场。例如，20世纪70年代和80年代初，利用原子级联产生的光子对量子纠缠进行了实验测试。

后来，自发参量下变频（SPDC）的非线性过程被证明是一种方便的光子对来源，可用于此类基础实验和产生明亮激光束的量子态——“挤压态”。如今，SPDC已被用于许多基本量子信息任务，包括量子隐形传态。

同样，单光子与光腔中单个原子的相互作用——腔量子电动力学（QED），是一个丰富的基础科学领域，在光子量子技术中有着重要应用。

尽管我们还不清楚未来的量子技术将采取何种形式，但量子信息很可能将以光量子态的形式传输，并对这些态进行某种程度的信息处理。同样显而易见的是，如果我们要实现这些技术，就需要不断利用传统光子学领域的最新发展。

最近，由合肥国家实验室、中国科学技术大学及清华大学等单位组成的研究团队在《Nature Physics》发表研究论文，首次利用量子点单光子源构建包含三个不可信中间节点的模块化量子中继架构，实现300公里光纤上的安全密钥分发。研究展示了单光子源在增强信息传输、扩展网络覆盖和提高部署灵活性方面的潜力，为未来大规模量子网络建设提供了可行方案。

正是这些基础研究与突破性实验，推动光量子技术从实验室迈向现实应用，展现出在通信、计算和精密测量中的战略价值。

2、光量子技术的应用与战略价值

光量子在现代科技中有着广泛的应用。在量子通信领域，光子可用于量子密钥分发，实现信息传输的绝对安全；在量子计算中，光子可以作为量子比特，用于执行高速、低噪声的计算任务；在精密测量和成像方面，利用光量子的量子干涉特性，可以实现超高分辨率显微成像、引力波探测以及高精度导航。此外，光量子还被应用于量子模拟、量子雷达、量子生物学以及新型材料研究，其潜力几乎覆盖了信息、计算、工业和科研等各个领域。

1）量子通信：构建安全可信的信息网络

在量子通信中，光子因其独特特性而扮演着核心角色。

光子因具备光速传输和低噪声特性，成为量子通信的理想载体。量子比特可通过光子的偏振、空间模式或时间进行编码，例如利用水平与垂直偏振（|H⟩、|V⟩）来表示量子态，并通过半波片或偏振分光器实现操控和转换。

由于任何测量都会扰动量子态，这一特性可用于探测窃听，从而大幅提升通信安全。目前已有商用量子密钥分发（QKD）系统，通常依赖衰减激光脉冲，在点对点通信中已表现出可靠性。但受限于光信号在光纤和自由空间中的衰减，其传输距离仍不足以支撑全球化网络。不同于经典通信可依赖光纤放大器，量子态无法被直接放大，否则信息将被破坏。解决之道是发展量子中继器——具备存储与纠缠测量能力的装置。未来，复杂量子网络或将依靠内置量子处理节点的中继器，实现真正安全的全球通信。

2）量子计算：提升计算能力与技术优势

如果说量子通信强调安全，那么量子计算则关乎算力的极限。

实现通用量子计算机的核心难题在于量子比特需既与环境隔离以保持相干，又能被操控、测量并实现逻辑门操作。光学量子信息处理中，最具挑战的是实现双量子比特纠缠门，如受控非门（CNOT）。然而，受限于光学非线性不足，直接实现条件相移几乎不可行。2001年提出的KLM方案成为突破：利用单光子源、探测器和线性光学网络，并引入辅助光子，通过量子干涉与后选择，可实现非确定性的CNOT操作，并可借助量子隐形传态提升成功率。此方案在原理上证明了无需强非线性也能实现可扩展量子计算。但其巨大资源消耗与光速光子难以同步控制，限制了实际应用。

近年来，基于簇态的测量型量子计算及小规模实验验证显著降低了资源需求，而利用原子腔系统实现确定性光子交互也在探索中。尽管如此，实现多路高保真单光子源仍是光学量子计算的核心挑战。

2023年10月，“九章三号”光量子计算原型机以255个光子的规模刷新世界纪录，通过设计时空解复用的光子探测新方法，构建高保真度的准光子数可分辨探测器，极大提升了光子操纵水平和量子计算复杂度，处理高斯玻色取样的速度比上一代提升百万倍，求解速度超越经典超级计算机。

3）量子精密测量：突破极限

而在精密测量方面，光量子则挑战人类对自然极限的认知。

所有科学技术都依赖测量，精度的提升不仅带来更细致的知识，也触及物理极限。经典测量中，相位灵敏度受限于统计涨落，形成所谓“标准量子极限”（SQL，Δφ ∼ 1/√N），其中N为探测光子数。而利用量子纠缠态可突破此界限，达到更根本的“海森堡极限”（Δφ ∼ 1/N），这便是量子计量学的核心。实验中，基于NOON态的干涉能够展现相位超灵敏与超分辨特性，为精密测量奠定基础。

与此相关的量子光刻则利用纠缠光场实现亚波长特征（λ/2N），有望突破传统光刻分辨率极限。尽管实现高阶纠缠态和灵敏光刻胶仍具挑战，但量子计量与光刻正成为推动纳米加工与精密科学的重要方向。

这些技术不仅在基础科学研究中发挥作用，如天文观测和粒子物理实验，也推动了导航、地质勘探和医疗成像的发展。光量子提供的新方法，使我们能够以比经典技术更小的误差探索自然世界。

4）光量子计算的跨界应用与产业潜力

除此之外，光量子计算在化工、能源、金融等领域展现出巨大潜力。例如药物研发中，光量子计算加速分子模拟与筛选，帮助制药企业降低30%研发成本；金融领域，高盛用量子算法优化投资组合，交易效率提升1700倍，摩根大通通过量子优化模型将外汇套利收益提高23%；材料科学领域，宁德时代应用量子算法优化固态电池电解质，能量密度提升20%；人工智能领域，形成 “量子赋能AI 算力、AI反哺量子芯片设计” 的正循环。

光量子技术正以令人瞩目的速度发展，从基础实验走向实际应用，不仅刷新了世界纪录，也推动了量子通信、量子计算和量子精密测量的边界。随着量子网络和量子计算系统逐步完善，光量子有望成为下一代信息科技的核心支撑，开启前所未有的智能化与安全化时代。

信息来源：“中国信息协会量子信息分会”微信公众号