客观物理世界中，小到一粒微尘，大到浩瀚星云，都蕴含着令人向往的自然规律，吸引着人们不懈地对其探索研究。纵观历史长河，人们对客观世界的认知可划分为两个阶段。

19 世纪以前，世界是宏观的，经典的。以牛顿力学和电磁波理论为两大支柱的经典理论一度被人们认为是“完美”的科学体系，借助这一套“完美”的理论，人们能够解释日常生活中所直面感受到的自然现象。当时的人们甚至认为物理学大厦已经落成，后续只需做些细枝末节的修补。

直至 19 世纪末，物理学的晴空中出现两朵乌云。这两朵乌云便是著名的黑体辐射实验和迈克尔逊-莫雷实验进入 20 世纪后，世界是微观的，量子的。

自 1900 年普朗克发现“能量在吸收和发射过程中并非是连续的，而是一份一份的”，并根据这一发现率先提出了“量子”的概念，即拉丁文中的quantum一词，量子概念开始崭露头角。

后来，基于爱因斯坦(光电效应) 、玻尔(互补原理) 、德布罗意(波粒二象性) 、海森堡(不确定性原理)、薛定谔(波动方程)、玻恩(概率解释) 以及狄拉克(狄拉克方程等物理先驱们的大量开创性工作和不懈努力，终于在 20 世纪 20 年代末形成了套较为完整的量子力学理论，并与爱因斯坦的相对论并驾齐驱，成为了现代物理学的支柱之一。

自此，人们对于自然的探索也由宏观世界逐渐转入微观世界。

进入 21 世纪以后，量子力学理论与信息学科等多个学科交叉融合，形成了一门新兴学科一一量子信息科学。

自 1946 年第一台通用电子计算机诞生以来，计算机开始代替人力承担复杂繁琐的计算任务。进入21世纪之后，随着半导体工艺的迅猛发展，以各类集成电路为核心的经典计算机逐渐向小型化发展，并被广泛应用于人们的日常工作与生活。

1965 年，时任英特尔名誉总裁的戈登·摩尔(Gordon Moore)曾提出著名的摩尔定律，其内容大致可以总结为：每隔 18 个月，集成电路中可容纳的晶体管数目将会翻一倍，其性能也会提升一倍。

然而，摩尔定律只是根据历史数据统计得到的一个规律总结而非客观物理定律。事实上，随着集成电路制程的不断缩短，影响晶体管等元器件性能的量子效应逐渐凸显，未来摩尔定律还能否生效已是未知数。

此外，元器件集成度大幅提升所引入的热耗散问题同样是一个巨大的技术挑战。因此，基于经典物理工作规律的集成电路发展面临诸多限制。

为了突破量子效应等限制，人们反其道而行，开始思考如何构造基于量子效应的量子计算机，如 1982 年理查德·费曼(RichardFeynman提出利用量子计算机来实现量子系统演化的有效模拟。

基于量子力学原理的量子计算机，不仅能够巧妙利用量子效应来实现计算过程，其可逆的计算过程还可以有效避免热耗散问题呵。同时，量子计算机所具备的天然并行性优势，使其蕴含着超越经典计算极限的应用潜力。

不过，由于量子计算机与经典计算机在工作方式上截然不同，要想在解决实际问题上实现“量子霸权 (quantum supremacy)，即超越经典计算机，还需设计特定的量子算法。

在量子计算中，存储量子信息的基本单元是量子比特(qubit)。量子比特对应于经典信息科学中的比特(bit) ，但与经典比特不同的是，量子比特不仅有 0 和1两种状态，还包括0 和1所组成的任意叠加状态。

目前，基于量子计算的量子算法可分为三类：(1) 基于傅里叶变换的量子算法，如 Deutsch-Jozsa 算法和 Shor 质因数分解算法； (2) 量子搜索算法，如 Grover 搜索算法， (3) 量子仿真算法，即利用量子计算机实现量子系统演化过程的仿真计算。

量子模拟是指，利用一个可控的量子系统，来模拟另外一个不可控的量子系统并将待模拟量子系统的信息提取出来。对于待模拟量子系统，其动力学演化可以用个久正算符U来表示：

量子模拟在物理学、化学、生物、材料等科学领域均有着不俗的表现。早先费受在提出量子计算机概念时，其初衷便是解决量子模拟问题。

随着各科学领域研究尺度逐渐由宏观转入微观，通常需要借助量子力学理论来解释一些实验现象，如分析化学中的单分子动力学过程，凝聚态物理中的量子磁体、量子相变，高温超导等问题。

经典计算机在处理这些模拟问题时已无能为力，而基于量子系统构建的量子模拟器在这方面有着得天独厚的优势，并且相比于目标遥远的量子计算机，量子模拟器更加容易实现。如下图所示：

除量子计算与量子模拟以外，近些年来，量子精密测量同样蕴藏着广阔的应用前景。对于开放量子系统来说，即量子系统不是封闭的，其与外部环境之间存在着耦合相互作用，因此其自身演化过程会受到外界因素的影响。

通过读出量子系统经演化后的状态信息，可以从中提取出外界影响因素的对应信息。这一机理，为基于量子系统的量子精密测量技术提供了实现依据。更重要的是，得益于测量机理的创新，基于量子力学理论的量子精密测量技术能够有效打破传统测量手段的极限。如下图所示：

根据测量机理的不同，可将量子精密测量技术主要分为三种：

(1)利用具有可量化能级的量子系统对基本物理参数进行直接测量。以自旋1/2 的量子系统为例，其两能级之间的跃迁频率之差直接受电场、磁场、温度以及应力(固态自旋体系) 等外界参数的影响。

通过测量其能级跃迁频率，能够精确评估出待测参数的具体信息，例如电场强度、磁场强度、应力大小以及温度变化等。此外，这种方式多应用于准静态信号的测量。

(2) 利用量子系统自身的相干性对物理参数进行测量。

相比于(1)，量子系统相干态中的相位信息对环境的耦合作用更加敏感。以磁测量为例，当把一个自旋1/2 的量子系统制备到相干态时，受外界环境中的磁场影响,其相干态会发生进动，经过一定自由演化时间后会积累一定的相位信息，通过投影测量读出该相位信息能够推算获取待测磁场信息。

这种测量方式的灵敏度主要受限于量子系统的相干时间，可通过动力学解耦等策略提高其相千时间，进而有效提高测量灵敏度。

(3) 利用多个量子系统之间的纠缠辅助实现超越经典极限的参数测量。前面提到， (2) 中的测量灵敏度主要取决于量子系统的相干时间。

为了实现更高的灵敏度，可在多个量子系统之间建立纠缠，随后将用于测量的量子系统演化信息以纠缠的方式存储至具有更长相干时间的辅助量子系统中，以等效相干时间延长效果。

截至目前，研究人员基于新兴的量子精密测量技术，已经成功实现了电、磁、热、力等基本物理参数的高灵敏度探测，同时还延伸发展出应用于生物医学、材料表征、工业无损检测以及航空航天等领域的一系列新型物质探测手段。

相比于量子计算与量子模拟，量子精密测量技术的商用产业化也更加成熟。