量子革命:开启未来科技“新引擎”[Migage]

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“你好!”9月29日,从中国发出的一声问好,通过量子保密“京沪干线”,又经过“墨子号”卫星,跨越了半个地球来到奥地利。这是历史上首次洲际量子保密通信,通话内容经过量子加密后,理论上无法破解。一次简短的通话,留下浓墨重彩的一笔。如此长距离、实用化的量子保密通信,意味着覆盖全球的量子通信网络已离我们越来越近。

量子卫星上天、量子计算云平台启动、“京沪干线”启航,在这场“第二次量子革命”中,微观世界的这些中国“探梦者”,正在寻找开启未来科技的“新引擎”。

量子通信:

一场反监听的安全大戏

最开始,人类结绳记事;然后,用语言和文字沟通;再后来,手机、网络成为必需品。信息传输,早已从如何传输,走入了“如何安全传输”的年代。而在这场比电影更精彩的现实大戏中,有两个人贡献了两幕高潮。

斯诺登说,有人在监听。

潘建伟说,他们听不懂。

中国科学技术大学、杏林苑和滨湖新区……2008年10月,这三个合肥市内本不相干的点,因为一次实验连接在了一起。它们仨因为组成了三节点可扩展的量子通信网络,实现了全球首个量子保密电话系统建设,而被永久载入史册。

随后,五节点,四十六节点,合肥、济南城域网,“京沪干线”……量子通信网在不断扩展。随着量子卫星的发射成功,量子通信网络真正升至“广域”“洲际”传播,为信息保密传输画上了“天地一体”的注脚。

9月29日下午,中国科学院院长白春礼与奥地利科学院院长安东·塞林格通过量子保密通信网络进行了一次视频通话。这次通话使用的量子密钥,信号是这样“走”的:先通过“京沪干线”北京控制中心与“墨子号”卫星兴隆地面站的连接,打通天地一体化广域量子通信的链路,然后通过“墨子号”与奥地利地面站的卫星量子通信,来到7000多公里以外的欧洲。

从百公里级的实验,到千公里级的实际应用,中科院量子信息与量子科技创新研究院研究团队不断取得突破,先后攻克了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控等关键技术难题。

“能够进行这么长距离、多节点的量子保密通信,尤其是国外节点并非由我们建设,说明‘天地一体’量子通信网络是稳定、兼容的,可以实用化。”“京沪干线”项目首席科学家潘建伟院士说。

“京沪干线”这条连接北京、上海,贯穿济南和合肥的量子通信骨干网络,全长2000余公里,可满足上万名用户的密钥分发业务需求。通过这条线路,多家银行和企业都实现了京沪异地数据的量子加密传输等应用。

由于量子具有“不可分割”、“测不准”、“不可克隆”等特性,量子保密通信在原理上是绝对安全、不可破解的。科学家这样解释:首先,由于“不可分割”,窃听者无法分割出半个量子进行测量;其次,测量必然会改变量子的状态,窃听者也不能截取量子之后,去测量它的状态,因为这样窃听行为会暴露;第三,未知的量子态无法被精确复制,窃听者即使截取了量子,也不能精准复制量子状态来窃听,得到的只能是“伪码”。

量子计算:

秒杀超级计算机的未来引擎

10月11日,量子计算云平台“中国版”正式启动,量子计算的商业化落地近在咫尺。这一云平台,由中科院与阿里云合作发布。据介绍,这是为用户提供量子计算的起点,希望推动量子计算产业化,实现三方面的愿景:一是提升现有计算,包括提升机器学习、组合优化等性能,带动基于这些核心计算的业务;二是赋能新兴产业,营造量子信息技术的生态系统;三是扩充安全,加强已有的量子加密通信技术,使用量子卫星,推出基于量子密码的安全计算。

将量子计算商业化,已经是全球业界的共识。2016年,IBM就向公众开放了一款基于云的量子计算平台——“Quantum Experience”,用户登录后能使用一台5量子比特的量子计算机进行算法或实验模拟;2017年3月,又宣布计划建立业界首个商用通用量子计算平台IBM Q。

让更多人参与到量子计算的探索和研究中,无疑可以加快其突破的速度;但量子计算也并非是“万能”的,其目的主要是用来处理过于复杂和发展太快,以至于传统计算系统无法处理的各种问题。潘建伟说,目前云平台提供25量子比特的经典计算仿真环境,2017年底基于10个超导量子比特的量子计算将上线。

中国科学技术大学教授朱晓波是10个超导量子比特纠缠的主要实现者之一。他告诉记者,量子计算有两条实现路径,一是通用量子计算,这是非常艰难的,需要实现量子容错等。而在计算深度和比特有限的情况下,能否制造一个模拟机,在某些特定问题上,比超级计算机更快,就成了现在的路径。“我们将10个超导量子比特的量子处理器接入云端,希望大家都参与,试图打通科研到应用。”

“量子计算发展的进程比我想象得要快得多。”潘建伟说,中国科学家已经在实验室实现了目前已知的所有量子算法的验证。团队将在今年底发布一台可上网的、基于超导量子比特的量子计算机;希望到明年,完成对更多数目的量子比特高精度操纵。最终,计算能力将超越目前最强大的超级计算机,实现“量子称霸”。实现后可用于很多实用性的研究,例如研究量子退火的机制,实现高效全局的最优搜索,使得指挥交通、理解图像等更加简便、迅速。

“量子革命”:

中国量子人如何回答爱因斯坦“百年之问”?

信息技术的发展,很大程度上是量子力学奠定了根本的基础。通过对量子力学理论的观测和应用,催生了第三次产业变革,同时也带来了两个问题。

一是安全性的问题。信息传输过程中,所有依赖计算复杂度的经典加密算法,原则上随着计算能力的提高,都是会被破解的。信息安全的瓶颈日益凸显。

二是大数据带来的计算能力瓶颈。要把数据中的有效信息提取出来,需要庞大的计算能力,否则数据就是垃圾。尽管现在每部手机的计算能力和当时“登月计划”中用到的是同等量级,但现在全世界的计算能力仍然是非常有限的,大约在2的80次方左右。进入纳米量级后,量子效应将起到主要的作用,原有的摩尔定律也将遇到瓶颈。

“非常有意思的是,量子力学同时为解决这些问题做好了准备,第二次量子信息革命正在加速到来。”潘建伟说,量子信息学将有三方面的应用:第一是利用量子通信提供原理上无条件安全的加密;第二是利用量子计算实现超快的计算能力,一个亿级变量的方程组计算,用现在最快的超级计算机也需要100年,而用量子计算机只需要0.01秒;第三是实现量子精密测量。

量子信息技术方兴未艾,这一领域的国际竞争也在不断加剧。近年来,欧美纷纷提出“第二次量子革命”计划,加大基础研究和产业发展方面的投入。2016年3月,欧盟委员会发布《量子宣言(草案)》,计划于2018年启动10亿欧元的量子技术项目。美国更是将“量子跃迁”作为“6大科研前沿”之一,认为人类正站在下一代量子革命的门槛上,量子力学正在导致变革性技术,必须加大投入促进交叉性基础研究。

对于量子时代的科学应用,中国“量子人”团队有着明确的科研路线图:通过量子通信研究,从初步实现局域量子通信网络,到实现多横多纵的全球范围量子通信网络;通过量子计算研究,为大规模计算难题提供解决方案,实现大数据时代信息的有效挖掘;通过量子精密测量研究,实现新一代定位导航等。(记者 周琳 徐海涛 董瑞丰)


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