量子革命：開啟未來科技“新引擎”

　　“你好！”9月29日，從中國發(fā)出的一聲問好，通過量子保密“京滬干線”，又經(jīng)過“墨子號”衛(wèi)星，跨越了半個地球來到奧地利。這是歷史上首次洲際量子保密通信，通話內(nèi)容經(jīng)過量子加密后，理論上無法破解。

　　一次簡短的通話，留下濃墨重彩的一筆。如此長距離、實用化的量子保密通信，意味著覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)已離我們越來越近。量子衛(wèi)星上天、量子計算云平臺啟動、“京滬干線”啟航，在這場“第二次量子革命”中，微觀世界的這些中國“探夢者”，正在尋找開啟未來科技的“新引擎”。

　　量子通信：

　　一場反監(jiān)聽的安全大戲

　　最開始，人類結(jié)繩記事；然后，用語言和文字溝通；再后來，手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)成為必需品。信息傳輸，早已從如何傳輸，走入了“如何安全傳輸”的年代。而在這場比電影更精彩的現(xiàn)實大戲中，有兩個人貢獻(xiàn)了兩幕高潮。

　　斯諾登說，有人在監(jiān)聽。

　　潘建偉說，他們聽不懂。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、杏林苑和濱湖新區(qū)……2008年10月，這三個合肥市內(nèi)本不相干的點，因為一次實驗連接在了一起。它們仨因為組成了三節(jié)點可擴(kuò)展的量子通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了全球首個量子保密電話系統(tǒng)建設(shè)，而被永久載入史冊。

　　隨后，五節(jié)點，四十六節(jié)點，合肥、濟(jì)南城域網(wǎng)，“京滬干線”……量子通信網(wǎng)在不斷擴(kuò)展。隨著量子衛(wèi)星的發(fā)射成功，量子通信網(wǎng)絡(luò)真正升至“廣域”“洲際”傳播，為信息保密傳輸畫上了“天地一體”的注腳。

　　9月29日下午，中國科學(xué)院院長白春禮與奧地利科學(xué)院院長安東·塞林格通過量子保密通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了一次視頻通話。這次通話使用的量子密鑰，信號是這樣“走”的：先通過“京滬干線”北京控制中心與“墨子號”衛(wèi)星興隆地面站的連接，打通天地一體化廣域量子通信的鏈路，然后通過“墨子號”與奧地利地面站的衛(wèi)星量子通信，來到7000多公里以外的歐洲。

　　從百公里級的實驗，到千公里級的實際應(yīng)用，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院研究團(tuán)隊不斷取得突破，先后攻克了高速量子密鑰分發(fā)、高速高效率單光子探測、可信中繼傳輸和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)管控等關(guān)鍵技術(shù)難題。

　　“能夠進(jìn)行這么長距離、多節(jié)點的量子保密通信，尤其是國外節(jié)點并非由我們建設(shè)，說明‘天地一體’量子通信網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)定、兼容的，可以實用化。”“京滬干線”項目首席科學(xué)家潘建偉院士說。

　　“京滬干線”這條連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，全長2000余公里，可滿足上萬名用戶的密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)需求。通過這條線路，多家銀行和企業(yè)都實現(xiàn)了京滬異地數(shù)據(jù)的量子加密傳輸?shù)葢?yīng)用。

　　由于量子具有“不可分割”、“測不準(zhǔn)”、“不可克隆”等特性，量子保密通信在原理上是絕對安全、不可破解的?？茖W(xué)家這樣解釋：首先，由于“不可分割”，竊聽者無法分割出半個量子進(jìn)行測量；其次，測量必然會改變量子的狀態(tài)，竊聽者也不能截取量子之后，去測量它的狀態(tài)，因為這樣竊聽行為會暴露；第三，未知的量子態(tài)無法被精確復(fù)制，竊聽者即使截取了量子，也不能精準(zhǔn)復(fù)制量子狀態(tài)來竊聽，得到的只能是“偽碼”。

　　量子計算：

　　秒殺超級計算機(jī)的未來引擎

　　10月11日，量子計算云平臺“中國版”正式啟動，量子計算的商業(yè)化落地近在咫尺。這一云平臺，由中科院與阿里云合作發(fā)布。據(jù)介紹，這是為用戶提供量子計算的起點，希望推動量子計算產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)三方面的愿景：一是提升現(xiàn)有計算，包括提升機(jī)器學(xué)習(xí)、組合優(yōu)化等性能，帶動基于這些核心計算的業(yè)務(wù)；二是賦能新興產(chǎn)業(yè)，營造量子信息技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)；三是擴(kuò)充安全，加強(qiáng)已有的量子加密通信技術(shù)，使用量子衛(wèi)星，推出基于量子密碼的安全計算。

　　將量子計算商業(yè)化，已經(jīng)是全球業(yè)界的共識。2016年，IBM就向公眾開放了一款基于云的量子計算平臺——“Quantum Experience”，用戶登錄后能使用一臺5量子比特的量子計算機(jī)進(jìn)行算法或?qū)嶒災(zāi)M；2017年3月，又宣布計劃建立業(yè)界首個商用通用量子計算平臺IBM Q。

　　讓更多人參與到量子計算的探索和研究中，無疑可以加快其突破的速度；但量子計算也并非是“萬能”的，其目的主要是用來處理過于復(fù)雜和發(fā)展太快，以至于傳統(tǒng)計算系統(tǒng)無法處理的各種問題。潘建偉說，目前云平臺提供25量子比特的經(jīng)典計算仿真環(huán)境，2017年底基于10個超導(dǎo)量子比特的量子計算將上線。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波是10個超導(dǎo)量子比特糾纏的主要實現(xiàn)者之一。他告訴記者，量子計算有兩條實現(xiàn)路徑，一是通用量子計算，這是非常艱難的，需要實現(xiàn)量子容錯等。而在計算深度和比特有限的情況下，能否制造一個模擬機(jī)，在某些特定問題上，比超級計算機(jī)更快，就成了現(xiàn)在的路徑。“我們將10個超導(dǎo)量子比特的量子處理器接入云端，希望大家都參與，試圖打通科研到應(yīng)用?！?/p>

　　“量子計算發(fā)展的進(jìn)程比我想象得要快得多。”潘建偉說，中國科學(xué)家已經(jīng)在實驗室實現(xiàn)了目前已知的所有量子算法的驗證。團(tuán)隊將在今年底發(fā)布一臺可上網(wǎng)的、基于超導(dǎo)量子比特的量子計算機(jī)；希望到明年，完成對更多數(shù)目的量子比特高精度操縱。最終，計算能力將超越目前最強(qiáng)大的超級計算機(jī)，實現(xiàn)“量子稱霸”。實現(xiàn)后可用于很多實用性的研究，例如研究量子退火的機(jī)制，實現(xiàn)高效全局的最優(yōu)搜索，使得指揮交通、理解圖像等更加簡便、迅速。

　　“量子革命”：

　　中國量子人如何回答愛因斯坦“百年之問”？

　　信息技術(shù)的發(fā)展，很大程度上是量子力學(xué)奠定了根本的基礎(chǔ)。通過對量子力學(xué)理論的觀測和應(yīng)用，催生了第三次產(chǎn)業(yè)變革，同時也帶來了兩個問題。

　　一是安全性的問題。信息傳輸過程中，所有依賴計算復(fù)雜度的經(jīng)典加密算法，原則上隨著計算能力的提高，都是會被破解的。信息安全的瓶頸日益凸顯。

　　二是大數(shù)據(jù)帶來的計算能力瓶頸。要把數(shù)據(jù)中的有效信息提取出來，需要龐大的計算能力，否則數(shù)據(jù)就是垃圾。盡管現(xiàn)在每部手機(jī)的計算能力和當(dāng)時“登月計劃”中用到的是同等量級，但現(xiàn)在全世界的計算能力仍然是非常有限的，大約在2的80次方左右。進(jìn)入納米量級后，量子效應(yīng)將起到主要的作用，原有的摩爾定律也將遇到瓶頸。

　　“非常有意思的是，量子力學(xué)同時為解決這些問題做好了準(zhǔn)備，第二次量子信息革命正在加速到來?！迸私▊フf，量子信息學(xué)將有三方面的應(yīng)用：第一是利用量子通信提供原理上無條件安全的加密；第二是利用量子計算實現(xiàn)超快的計算能力，一個億級變量的方程組計算，用現(xiàn)在最快的超級計算機(jī)也需要100年，而用量子計算機(jī)只需要0.01秒；第三是實現(xiàn)量子精密測量。

　　量子信息技術(shù)方興未艾，這一領(lǐng)域的國際競爭也在不斷加劇。近年來，歐美紛紛提出“第二次量子革命”計劃，加大基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的投入。2016年3月，歐盟委員會發(fā)布《量子宣言（草案）》，計劃于2018年啟動10億歐元的量子技術(shù)項目。美國更是將“量子躍遷”作為“6大科研前沿”之一，認(rèn)為人類正站在下一代量子革命的門檻上，量子力學(xué)正在導(dǎo)致變革性技術(shù)，必須加大投入促進(jìn)交叉性基礎(chǔ)研究。

　　對于量子時代的科學(xué)應(yīng)用，中國“量子人”團(tuán)隊有著明確的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò)；通過量子計算研究，為大規(guī)模計算難題提供解決方案，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等。（記者周琳 徐海濤 董瑞豐）

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