诺奖“背后”：光与量子相遇，为科研、就业创造新机会！

20世纪初，德国物理学家普朗克提出量子(quantum)的概念；一般而言，学界将光子、质子、中子、电子以及介子等概念统统归纳于量子的解释范畴中。量子概念的诞生，加速了对微观世界的物理学研究，特别是量子力学理论的发展。   

近年来，随着5G技术的普及，世界进入全新的信息化时代；在信息传输技术高度发达的今天，如何提升通信的安全水平成为了研究人员关注的重点，而量子通信技术依靠量子密钥分发以及量子态隐形传输等先进理论，开始走向通信技术的舞台中央。在量子通信技术实现载体的选择上，几乎所有学者都将赞同票投给了光子，原因也很简单，光子既能够实现超远距离下海量信息的超快传输，同时又能够通过偏振调控的方式进行加密。

图1 处于纠缠状态的粒子

但量子通信技术的发展也并非一帆风顺，起步阶段便笼罩上了贝尔不等式的乌云。贝尔不等式是一个理论上的概念，其大体含义是说，一个粒子的行为并不会对另一个粒子产生过多的影响；如果这一理论在实验中成立，那么量子通信的加密原理将成为空谈。

而本次获得诺贝尔物理学奖的阿兰·阿斯佩 (Alain Aspect)、约翰·克劳泽(John F. Clauser)以及安东·塞林格(Anton Zeilinger)所设计的精巧实验验证之下，这一不等式在量子领域被成功证明为假命题，这为以光子为基石的量子通信技术铺设了一条坦途。

今年诺贝尔物理学奖的颁布，将物理学界的目光自2018年后再度聚焦至光学领域，在量子通信技术加速发展的今天，我们更加有理由相信，光能够成为打开其新局面的一扇窗。

观察量子通信和光学近些年来的发展之路，不难发现二者之间存在千丝万缕的联系。光学作为基石，为量子通信技术的发展奠定基础；量子通信技术作为果实，反哺光学的理论和产业化发展。

图2 第二次量子革命的标志：量子器件高度集成的硅基芯片

图3 光学背景为求职者打开了量子计算领域的大门

量子理论为技术人员的招聘带来了极高的门槛，具备充足量子理论支撑的工作者更是凤毛麟角，但企业无法在缺少技术人员的情况下正常运行，因此很多企业的HR选择招聘具有其他专业背景的工作者进行代替。在这个过程中，很多学校以及企业都发现，具有光学背景的学生会更快地掌握相关技术。

据匹兹堡大学著名物理学教授介绍，从事光学领域研究的学生，掌握了一种与量子技术企业之间的“共同语言”，这使得他们能够将高度相关的知识及设备操作技巧带入工作中去。当一名研究生掌握了一定的光学知识后，便有了进入量子科技企业的敲门砖。

可以说，在正经历第二次量子科技革命的今天，光学领域的人才有了一条全新、且极具前景的就业赛道。

作为量子科技赛道上的领跑者，中国近年来取得了极其不俗的研究成果。除了举世瞩目的“墨子号”量子科学实验卫星，我国还自主设计并搭建了世界首条量子加密通信骨干网“京沪干线”，研发出了具有里程碑式意义的“九章”量子计算原型机。在这些举世瞩目的成就之后，我们也应该看到无数光学科研工作者付出的努力。

图4 “九章”量子计算原型机

近几年，国内一流光学期刊开始重点关注与量子科技相关的优秀研究成果。

就在2022年，Advanced Photonics编委陆朝阳领衔策划专题——“莫失蓝海：光子学在量子技术中的巨大潜力”。该专题聚焦量子科学和技术的进步，邀请多位相关领域的权威专家撰写了综述文章和原创论文，集结成“量子技术”专题，展示光子学在促进若干量子技术发展中的重要作用。

不仅今年的专题，近几年还涌现出不少光量子相关的优质成果。

优质光源的设计，一直是量子技术追求的目标之一。依靠量子隧穿效应，量子级联激光器(QCLs)能够以简易的结构和高效的调控手段实现波长可调谐激光的输出，西南大学吴加贵教授所在团队通过外加小振幅周期调控的方式，捕捉到QCL的异常输出行为，拓宽了QCLs的应用前景。

论文链接：https://www.researching.cn/articles/OJ592a256f42f79a93

如何将优质光源进行集成化设计，也是科研与市场都较为关心的问题，来自加利福尼亚大学的华人研究团队针对此问题进行研究，最终设计出一款基于色散补偿量子点锁模激光的片上集成模块，输出脉冲的重频高达20 GHz 。实验所取得的突破离不开理论的指导，与量子相关的理论仿真研究也在近几年来受到了很多关注。

论文链接：https://m.researching.cn/articles/OJ7cc02a75c0890b6d

合肥工业大学陈冰教授团队利用固体量子模拟装置，实现了对于奇异拓扑相位的数字模拟，为可编程量子模拟器的设计提供了思路。

论文链接：https://m.researching.cn/articles/OJ81bee01581743e4b

而为了进一步提升密钥的高保真传输，有学者开始考虑将智能算法与QKD技术进行结合，来自西安空军工程大学的赵尚弘教授团队将深度学习算法应用到QKD安全提升方案的研究中去，在确保密钥超远距离无失真传输的同时，大大增加了系统的安全性，为新一代量子密钥分发技术提供了参考。

论文链接：https://www.researching.cn/EN/Article/OJ4775b3fcceb2f4a1

同样受机器学习技术的启发，来自北京计算科学研究中心的薛鹏教授团队设计并搭建了一台量子图像分类器，该分类器基于张量网络，能够实现准确度高达98%的图像分类任务，进一步拓展了量子技术的应用范畴。

论文链接：https://www.researching.cn/Articles/OJe5828c42b2168346

量子科技研究正在如火如荼地进行着，而光学也正在信息化时代焕发新的生机。相信随着光学领域更多人才的成长和耕耘，中国自己的量子科技终将屹立在世界之巅！

编辑 | 徐睿