前言

　　所有变革皆源于一问：若不可能成为可能， 又当如何？

　　追求更强大、更快速的计算机的竞赛，催生 了令人瞩目的微型化进程。如今，计算机每秒已 可执行千亿亿次基本运算（如加法、乘法等）。 但这种微型化无法无限持续，因为晶体管尺寸不 断缩小，已逼近原子级别。此时，我们将进入量 子力学的领域，物体不再遵循经典物理定律，现 有构想的计算机也将无法正常运行。我们面临着 一道不可逾越的障碍，而突破它的唯一途径是彻 底改变策略，打造一种遵循量子逻辑而非经典逻 辑的新型计算机—量子计算机。这并非对现有 技术的简单改进，而是一场范式革命，它将深刻 改变计算机的运行逻辑以及现今全球范围内信息传输的方式。

　　这一奇妙的可能性将在本书前两章中展开。其核心差异十 分简单：经典信息的基本单位是比特（bit），它只能处于两种 状态—我们称为 0  或 1；而量子计算机的基本单位是量子比 特（qubit），它可以处于 0 和 1 状态的任意组合。若将经典比特 想象成一个非黑即白的物体，那么量子比特就如同能呈现出所 有灰度的物体。量子比特这种非凡的灵活性，赋予了量子计算 机远超经典计算机（无论其性能多么强大）的难以想象的能力。 未来量子计算机在数秒内完成的运算，对于当今最强大的计算 机来说，可能需要运行数百万年。这并非遥远的未来愿景，而 是即将到来的现实。

　　这场席卷计算机领域（即信息处理领域）的革命，正强势 进军通信领域（即信息传输领域）。如今，每一条信息、每一张 照片或每个视频，都依靠电磁波通过空间从一个地方传送到另 一个地方—从一部手机到另一部手机，从一个大陆到另一个 大陆。这些电磁波遵循经典物理定律。但我们可以想象，在不 久的将来，这套基础设施将被遵循量子力学的设施所取代，运 行其中的，变成了光子。光子是电磁波的基本单位，可视为无 质量的粒子，以光速在空间中传递能量。这种范式转变将带来 巨大优势，尤其是任何人都无法在不被发现的情况下拦截和复 制信息。届时，信息传输系统将得以在全新的、本质安全的基 础上重建。不仅机密外交通信将得到前所未有的保护，日常简单交易（如信用卡使用）也将拥有坚不可摧的安全性。该领域 的发展十分迅速，中国已于 2017 年将首颗能够按照量子协议进 行洲际加密电话会议的卫星送入轨道。信息传输的非凡未来将 在第 3 章阐述，我们将探索量子力学如何改写通信规则。

　　在本书的最后两章，我们将目光投向量子计算与量子通信 之外的领域，展望一个充满希望的非凡未来。这场技术冒险的 新篇章，将探索一片迷人且尚未开发的领域。尤其是在第 4 章， 我们将勾画量子传感器有望为我们开启的精彩世界。这些传感 器灵敏度极高，能够感知活火山最微弱的能量波动，或病变细 胞最细微的信号。我们将探索这些先进设备如何已开始改变多 个领域。例如，在医学领域，它们可能在疾病通过现有技术未 被发现之前就将其检测出来。量子传感器的应用范围极为广泛， 潜力巨大，标志着一个新时代的到来。在这个时代，我们观察、 互动和保护世界的能力，将以如今难以想象的方式得到提升。

　　二十世纪四五十年代，当第一台计算机问世时，它们被视 为庞大的金属机械，仅适用于核武器研发等重大任务。当时很 少有人能想象到，这些机器会走进日常生活。如今的现实却截 然不同，几乎每个人都拥有计算机和手机，这些设备让我们保 持联系、获取信息并享受娱乐。从互联网的数字深海到社交媒 体的汹涌潮流，技术已成为我们生活中近乎自然的延伸。如今， 首批量子计算机原型已在技术前沿亮相，标志着计算新时代的 开启。尽管实现量子计算机的全面落地仍面临重重技术挑战，

充满了复杂难题和艰巨障碍，可人们仍对此热情高涨，从遍布 全球的顶尖大学，到跨国巨头企业和灵活的初创公司，浓厚的 研究氛围和大量投资正推动着这场革命。我们难以准确预测这 场创新浪潮将把我们带向何方，以及它将会对我们的日常生活 产生何种影响，但可以想见，身边的变化将在我们察觉之前悄 然发生。未来是一张白纸，量子新技术正开始在上面书写深刻 的变革。想想那些不断产生海量数据的领域，现有计算机无法 处理这些数据，而量子计算机却能对其进行有效分析。再想想 未来的量子通信网络，它们可能会催生量子互联网。

　　未来，量子计算机的发展很可能会与人工智能的发展日益 交织，带来新的重大机遇。与此同时，也可能引发一系列伦理 问题。这些问题涉及自然和人工的界限，而这正是我们社会价 值观的基石。我们认为，科学家有责任以通俗易懂的方式向公 众阐释这些发现的意义。正是基于这一信念，我们撰写了本书。