互动科普

从量子计算机、光学原子时钟到原子干涉仪、测量微弱生物磁场的磁力计，量子光学未来将在很多领域给人类社会带来深远影响。然而这些科技如何成功市场化，仍是摆在世界各国眼前的难题。《科学美国人》德文版邀请Toptica Photonics公司量子科技部的负责人介绍了量子光学面对的机遇与挑战。

目前，在量子光学和光子学的基础研究领域，科学家仍在不断取得引人注目的成果。这些成果中，有哪些会对未来产生深远影响呢？

量子加密

众所周知，光缆可以大大提升数据传输的速度，利用这一特性，通信设备供应商早已将基于光学原理的通信设施投入实际应用。光缆不仅可以提升数据传输带宽，还能有效提升数据传输的安全性，这也是目前全球互联网用户普遍关心的热门问题。无论是私人信息被非法监听，还是公司内部数据服务器被黑客攻破，在今天都十分常见。数据传输的安全问题由来已久，从数千年前开始，人们就一直在尝试使用各种办法，对信息进行加密保护，以防被第三者获取。

在数据加密领域，量子光学可以为加密技术带来一个巨大优势：使用纠缠态的量子传输数据，可以极大提高数据传输的安全性，因为第三方监听量子传输的数据时很难不被发现。与此相关的密码学技术被称为“量子密钥数据分布技术”。由此技术生成的密钥代码完全由随机字符组成，这些字符同样是借助于量子特性生成的。和传统的密钥技术相比，量子加密技术产生的密文即便被第三方获取也难以在短时间内破译——因为这在理论上不具有可行性。这些加密技术都来自于量子光学的基础研究，不难想象，对这些技术的市场需求是巨大的。

经过长时间的发展与优化，基于量子技术的随机数字生成器逐步具备了商业化的可能性。而量子光学加密技术已经有了成功实例——瑞士日内瓦大学创办的一家公司宣布推出量子加密原型之后，首批基于此类技术的系统就开始陆续投入商业运营。现在，很多银行都采用了量子加密技术来对网上交易进行加密。经过量子加密的数据可在光缆中传送至100千米以外的终端，而在实验室环境下，研究人员甚至可以将数据的传输距离扩大至300千米。这个距离和目前的各个光缆中继站间的距离基本一致，由此可见，地区范围内的量子加密在技术上是可行的。中国从2014年起，就在建造一条长达2 000千米的安全数据光缆用以进行实际测试。这条光缆从北京直通上海，有经济或者政治需求的大客户已经可以付费使用——当然，在这条光缆前期的开发阶段，所投入的成本是极其高昂的。

量子计算

在高性能计算和模拟仿真领域，国家与私人机构都可从量子光学技术中获益巨大。和传统计算机使用的比特不同，量子状态是可以互相叠加的，传统计算机中的计算单元只有两种状态，一般用空（0）和非空（1）来表示。在空和非空之间没有其他状态。如果将运算操作建立在这样的比特单位之上，那么完成一个计算任务后，计算机一定会返回唯一一个数字。如果换用量子比特（Qubit）来表示计算前后的两个状态，由于量子本身可以叠加多个状态，只需对量子比特进行适当的调整，理论上使用一个量子比特就可以进行大量的并行计算，即在同一个量子比特上同时进行多次运算。这使得大规模并行运算成为可能。因此，量子计算机在理论上可以大大提升特定计算任务的处理速度。其中一个著名的计算难题就是在多项式时间内找出一个很大的整数的所有质数因子。采用量子计算机的并行计算方法，可以轻松破解建立在大整数质因子基础上的传统加密算法，而这是目前运用最为广泛的加密算法。（多项式时间：如果你想知道一个给定的数，比如983或105227是不是素数（即只能被1和它自己整除的数），那计算机所要进行的步骤随着给定数字位数的增长就相对比较缓慢，大体上以类似n2的速度增长——n为位数。像n2这样的表达式被称为多项式，因此该问题就被称为可以在“多项式时间”内解决。）

为了更好的读取及操控量子比特，物理学家先得对量子比特里的重要概念进行测试。尽管对量子比特的很多实验都很成功，也有很多研究人员构建了制造量子计算机所需的部件，但时至今日，世界还没有一台真正意义上的量子计算机，因为要设计出可以连接大量量子比特单元的复杂转换电路极其困难。

现在，虽然人们可以买到所谓的量子计算机，但这只是制造商为了满足市场需求而给出的一个不切实际的称谓而已，对于这类计算机的实际运行能力，在科学界仍有很大争议。量子计算机在很多国家还处于紧密研发阶段。在质因子分解上有着超强能力的量子计算机，对各国的情报机构而言都具有非同寻常的价值和意义，因为凭借量子计算机可以将那些以传统方式加密的信息轻松破解。对各种新型架构进行深入分析和讨论之后，投资者和决策者才能真正决定哪一种架构会成为下一代计算机的主导架构。

除了量子计算机之外，量子模拟器同样值得探讨，它在某种程度上可以说是量子计算机的初期形态。这里讨论的不是一台开放式的、可编程的计算机，而是一台有针对性的、用于解决特定任务的计算机——大致可以理解为是一台可以在实验室里，用可控方式对特定物理现象进行研究的计算机，或者是一台有能力模拟超复杂系统的计算机。在现有的很多科研项目里，都存在大量难以实现的模拟项目，对于传统计算机来说，这些模拟项目的计算复杂度往往很高，以至于难以在有限时间内依靠有限的硬件成本完成相关模拟，但对于量子模拟器，这些任务则完全可以胜任。

光学原子钟

利用量子光学的相关技术，可以让时间测定更精确，进而提高诸多设备的性能表现。比如，在卫星制导的GPS系统中使用更精确的时钟，能让卫星信号更准确地同步：导航定位的误差在很大程度上取决于卫星上所安装时钟的精确度。对于下一代数据及电力网络来说，更精确的信号同步同样可以大幅提升效率与性能，更不用说是科研中的高精度实验了。

为了精确地测量时间，物理学家会利用不同量子状态间的能量差值。由于需要运用量子光学的方法来读取量子状态间的能量差值，整个原子钟的系统需要保持高度封闭，以免受到外界影响。传统的原子钟会测量电子在不同能级间跃迁时发出的微波，把其频率当作时钟的基准节拍。电磁波辐射的频率越高，时钟的精确度就越高，因此，如果以可见光的频率为基准节拍，那么时钟可达到的精度就会比微波原子钟高十万倍。因此，最近研究人员开发的都是使用激光的光学原子钟。在实验室中，这种新型光学原子钟可以达到10-18秒的精度，用它测出的时间极为精确，从宇宙诞生至今的总误差不会超过一秒。

从技术成熟度以及微型化程度来讲，使用微波的商业原子钟（精度约10-13秒）的确已经相当先进。科研人员甚至研发出了可以封装在芯片中的微波原子钟原型——它们仅有数厘米大小，质量只有50克。但在全球大多数实验室内，科学家还是使用光学原子时钟。随着技术上的优化与进步，这些光学原子钟会也向更加便携的方向发展。有朝一日，当现有的传感器可以装上光学原子钟芯片时，与时间测定相关的应用设备在精度上都将达到新的水平。

高精度测量

量子光学带来的高精度对于识别微小且分散的化学分子也极其重要，例如某类分子对特定化学反应起着至关重要的作用，而这类分子在空气中的含量又极低，为了对它们进行定量测试，需要使用精度极高的仪器和技术。科学家为了研究大气中的痕量分子，主要使用两种方法：方便快捷的吸收光谱法和精度极高的原子捕集痕迹分析法。原子捕集法采用激光和磁场来捕获和测量特定原子的同位素。这种新方法主要用来测定地下水年龄，探测核武器试验后空气中残留的放射性物质等。全球仅有几个实验室可以提供此类测试技术，面对广阔的市场需求，相关的商业应用显然有待开发。

除了这些新的测量方法，还有一种利用原子波粒二象性（原子既是粒子也是波，因此也能叠加在一起发生干涉现象）的原子干涉仪，可以识别出小范围内极其微小的引力变化，这种仪器除了对物理学以及地质学等基础研究有着重要意义之外，还深受资源勘探公司的青睐。原子干涉仪还可以应用到军事领域，因为借助这种仪器进行导航定位时，使用者无需发送或接收信号，可以极大地提高军事行动的隐蔽性。一些初创公司已经开始销售此类设备。随着量子光学的发展，甚至连完整的玻色–爱因斯坦凝聚态的结构都可以被商品化。在玻色–爱因斯坦凝聚态中，所有粒子都处于统一的量子状态，这正是制造高灵敏度传感装置的一个重要前提。

量子光学的相关研究还催生了更多用于高精度测量的技术，例如用激光探测钻石晶体结构的缺陷——氮晶格空位。这一重要技术不仅有望成为量子计算机架构的一个重要组成单元，也可以用来研究生物细胞的磁属性。当然，这些设备目前都还只存在于实验室中，尚未商业化。要测量磁场，还可以利用封装在微型腔室中的原子蒸气，这种方法灵敏度更高，甚至能探测出相当于地球磁场强度百亿分之一的磁场。也许不久之后，我们就可以使用这种技术，精确测量人体器官及组织的微弱磁场变化——例如大脑磁场以及心脏跳动产生的磁场变化等。

许多由量子光学发展出的设备已经用到了与最初的开发目的截然不同的领域，外腔二极管激光器（ECDLs）就是一个典型例子。这种激光之所以与众不同，是因为使用者可对它的波长进行极为精细的调节和校准，调节幅度可以小到只有波长的十亿分之一。ECDLs最初用于原子与分子光谱学、原子和离子冷却等，但随着这项技术的快速商业化，在许多其他方面也有了成功的应用。高精度激光已经变得方便操作且十分可靠，而且价格也越来越被企业和研究机构所接受，研究人员得以进行更为复杂的、基于多重激光的联合实验。

自ECDLs问世以来，不少公司一直致力于改进这项技术。现在，增强型ECDLs已经问世，这种改进后的激光设备具有更高的功率。此外，可以转换颜色的激光二极管也悄然出现，例如可以将红色激光转换成蓝色激光的激光二极管。ECDLs还用于新型雷达的研发，即所谓的Lidar（使用激光感应的侦测和测距）雷达技术。利用这种新型雷达，环境检测人员以及地质学家可以全新的模式，对大气层以及地球表面进行监测，很多医疗检测也可以使用这种激光器来实施。

量子光学的未来

量子光学（主要通过激光技术）已经在很多领域给人类社会带来了深远影响。然而，时至今日依旧欠缺的，是一个具有突破性和决定性意义的全新应用。无论是量子计算机、光学原子钟、原子干涉仪、还是专门的磁力计，都必须遵循以往的商业化道路前进。这也取决于工业界对新科技是持接受还是观望的态度。

在实验室里制造出的先进设备往往结构复杂，而工业界所需要的是紧凑并且可以全自动工作的设备，填补这两者之间的鸿沟需要非常多的财力与人力。因此，大企业对于此类投资一向十分谨慎，而很多小公司无力展开这些先进设备的改进和研发工作。这种情况其实在很多新技术从实验室走向工业界时都会发生，人们称这个过程为“死亡谷”。这个名词来源于美国国会议员弗农·埃勒斯（Vernon Ehlers）的一次演讲。他曾在1998年描述了这一普遍存在的状况：如果没有公共或私人的经济支持，那些新兴技术很多都无法在市场上存活。

值得宽慰的是，全球各国都相继建立了专门研究量子光学技术的研究中心。在这些研究中心里，中小型企业可以得到相应的经济支持，从而开发出新型仪器和设备。2014年，英国启动了一个2.7亿英镑的资助计划，用以扶持新兴的量子光学产业，仅从金额上来看，该项资助计划可能是目前全球最大的。

未来几年时间内，量子光学技术的应用会快速成熟，也更容易被业界所接受。与此同时，教育界也开始为培养相关人才开设了相关的科系。在美国和中国，相关的程序已经启动，这些科系主要集中在国家安全领域，此外还包括导航、量子计算机以及相对而言已经取得较大进展的量子密码学。