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量子通信,中国领跑
发布时间:2016-08-22 10:47:27    来源:人民网    责任编辑:黄勇霖

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量子科学实验卫星的正样星。 
  中国科学院供图

  日前,我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”(以下简称量子卫星),将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建一个天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

  量子卫星的成功发射,不仅具有重要的科学意义和实用价值,还将推动我国在量子太空国际竞赛中掌握主动权,在第二次量子革命中由跟跑者向领跑者转变。

  在空间尺度检验量子力学,有望催生基础科学前沿领域的突破进展

  量子是物理世界里最小的基本个体。它具有神奇的特性:首先有多个可能状态的叠加态,只有在被观测或测量时,才会随机地呈现出某种确定的状态。“这就好比孙悟空的分身术”,量子卫星首席科学家、中科院院士潘建伟解释道。

  其次,量子具有纠缠态,意味着两个纠缠在一起的量子就像有心电感应的双胞胎,不管两个人的距离有多远,当哥哥的状态发生变化时,弟弟的状态也跟着发生一样的变化。

  随着这些特性被科学家不断认识,适用于实际应用的量子通信技术被开拓出来。量子通信分为两种,一种是量子保密通信,能实现无条件安全的通信方式,再也不会被窃听和破译;另一种是量子隐形传态,能将粒子的未知量子态精确传送到遥远地点而不用传送粒子本身。“就像筋斗云一样,实现瞬间传输。”这次量子卫星发射,就是主要开展星地高速量子密钥分发和地星量子隐形传态等实验。

  “以量子信息为代表的量子调控,带来了第二次量子革命。”潘建伟认为,人类从单纯观察量子走向主动调控量子,这是一次巨大的飞跃。“中国成功发射量子科学实验卫星,具有里程碑意义,这将建立有史以来最大的天地一体化量子实验室,真正实现星地之间的广域量子调控。”

  “过去人们只看到量子现象,却不了解其背后的规律。”潘建伟说,科学家们起初只是对量子进行被动观测,发现了有用的现象,就拿来应用试一试,通过这种方式,量子力学已经给人类带来了核能、半导体等重大发明,这可以称作“第一次量子革命。”随着认识加深和技术进步,人们开始尝试主动调控量子的奇异性质,开拓出适用于经典世界的新技术。“把一粒粒微观粒子抓住,在微观层面按照需求进行精确的组装和调控,这是新的飞跃。量子调控和量子信息技术的迅猛发展标志着第二次量子革命的兴起。”

  作为人类认知自然最重要和最直接的手段之一,科学卫星能促使人类在基础科学方面产出重大原创性成果。

  “继暗物质粒子探测卫星‘悟空’和微重力科学实验卫星‘实践十号’之后,作为我国空间科学战略性先导专项的第三颗科学卫星,量子卫星将促进基础科学前沿领域的突破进展。”中国科学院国家空间科学中心主任、空间科学先导专项科学卫星工程常务副总指挥吴季说。

  “此次发射,能够帮助科学家在空间尺度检验量子力学的正确性。”潘建伟介绍,量子力学理论是描述微观世界的理论,在宏观尺度上能否成立,还需要实验上来论证。“如果能够实现光量子纠缠超远距离的分发,就可能对未来量子引力的模型进行检验。”

  曾有人问他:既然认为量子力学是正确的,为什么还要大尺度远距离地去检验它?“因为只有进入新的领域,才能发现新的科学。”潘建伟这样回答。

  “就以量子光学为例,一旦通过量子科学实验卫星使量子态、量子关联以及量子纠缠等理论得到验证,那么其对量子光学的理论计算和实验设计都会起到指导作用。”北京计算科学研究中心教授、中科院院士朱诗尧认为。

  “如果经过证明,这条卫星发射的技术路线正确,国外团队就都会开始从太空来开展量子实验,这将推动整个学科的发展,这就是引领的作用。”潘建伟说。

  “也正因为这样,国外团队相继加入到与我们的国际合作中来,中国吸引了更多优质的国际资源。”据潘建伟介绍,中国科学院已经与奥地利科学院签署合作协议,共同致力于在量子科学实验卫星框架中合作开展洲际量子通信实验。“其目标是实现北京和维也纳之间的量子保密通信。”此外,与德国团队也进行了相关合作,致力于量子通信探索。

  大国在量子通信领域激烈竞争,起步并非最早的中国实现了“弯道超车”

  量子通信事关国家信息和国防安全,这个战略性领域已经成为发达国家和地区优先发展的信息科技和产业高地——

  美国对量子通信的理论和实验研究开始较早,并最先将其列入国家战略。美国国防部支持的“高级研究与发展活动”计划将量子通信应用拓展到卫星通信、城域以及长距离光纤网络;美国国家航空航天局也正计划在其总部与喷气推进实验室之间建立一个直线距离600公里、光纤皮长1000公里左右的包含10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线,并计划拓展到星地量子通信。

  欧盟着眼于合力构建量子互联网,2008 年发布的《量子信息处理与通信战略报告》明确了欧洲在未来5年和10年的量子通信发展目标。欧盟还启动了量子通信技术标准化研究,并成立“基于量子密码的安全通信”工程,这是继欧洲核子中心和国际空间站后又一大规模的国际科技合作。

  日本也不甘落后,制定了量子信息技术长期发展路线图。日本国立信息通信研究院计划在2020 年实现量子中继,到2040年建成极限容量、无条件安全的广域光纤与自由空间量子通信网络。

  虽然在全球量子通信竞赛中,中国起步并非最早,但是在科学家们的不懈努力下,目前中国在量子通信领域已经实现了“弯道超车”。

  潘建伟团队在2007年首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发;2008年实现国际上首个全通型量子通信网络;2012年建成首个规模化的城域量子通信网络;2016年中国发射全球首颗量子科学实验卫星……很多个“世界首次”,均来自于“中国队”。

  “这标志着中国在量子通信领域的崛起,从10年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美……”《自然》杂志在报道该团队研究成果时表示。

  当被问及为何能够先于欧美国家发射首颗量子卫星时,潘建伟坦言,当大多数同行仍致力于实验室的原理性演示时,他们的团队已经开始思考如何能在太空实现量子信息传输,着手了一系列星地量子通信的地面验证实验,为星地量子通信奠定了坚实基础。

  潘建伟表示,这也得益于国家的大力支持。“中国‘大科学’项目建设非常高效。一方面,国家的高强度支持使得包括我们团队在内的优秀科研团队快速推进量子信息研究的发展;另一方面,在卫星量子通信方向上出现重大突破迹象时,中科院快速做出前瞻性决策,得以在国际上率先启动卫星项目。”

  希望到2030年左右,建成全球化的广域量子通信网络,并在量子计算领域有所作为

  “到底为何会有量子纠缠的特性,我们还是不清楚。对量子力学的理解,我们仍停留在粗浅的表面。”潘建伟说,未来5年他最想做的是,首先从更远距离和更大尺度检验量子力学并发现新的科学。同时,坚持利用发现的规律改造世界,构筑范围更广、更加高效的量子保密通信网络。

  “对于我们团队来说,卫星的发射并不代表努力就到此为止。单颗低轨卫星无法覆盖全球,同时由于强烈的太阳光背景,目前的星地量子通信只能在地影区进行。要实现高效的全球化量子通信,还需要形成一个卫星的网络。”潘建伟说,继“量子科学实验卫星”项目之后,他的团队还将计划开展空间站“量子调控与光传输研究”项目。该项目将研究星间量子通信技术、全天时量子通信技术等,同时进行量子密钥组网应用、多种技术体制的空间激光通信验证等应用研究,为下一步的卫星组网奠定技术基础。“如果进展顺利,有希望到2030年左右,建成全球化的广域量子通信网络。”

  量子计算,是潘建伟想做的另外一件事。

  量子计算将带来计算能力的飞跃,是量子信息除了量子通信外的另一大分支。在经典计算机中,每个比特都只有0和1这两种状态。但在量子计算中,每个比特可以处在0和1的叠加状态上,一旦操纵的量子数目增多,它就会以指数增长的形式来提升运算速度,有超强的并行运算的能力。

  “比如利用万亿次经典计算机分解300位的大数需要15万年,利用万亿次量子计算机,只需要1秒。”潘建伟介绍,在大数据和人工智能里,求解一个亿亿亿变量的方程组,利用目前最快的亿亿次“太湖之光”超级计算机大概需要100年左右,但是如果利用万亿次的量子计算机,只需要0.01秒。

  量子计算不仅可以解决如气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探所需要处理的大规模计算难题,甚至还能揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂的物理机制。

  潘建伟介绍了量子计算的若干进展。由中国科学院与阿里巴巴集团合作成立的量子计算实验室,将力争在基于光和超导比特的量子计算、基于超冷原子的量子模拟等最有前途实现实用化量子计算的研究方向上率先取得突破。“到2020年,实验室有望在量子模拟方面达到‘太湖之光’超级计算机能力,到2030年,在某些特定功能上将达到‘太湖之光’的百亿亿倍,并且初步实现通用量子计算功能。”近年来,他的团队在国际上首次实现了快速求解线性方程组的量子算法、量子机器学习算法,成为量子计算应用于大数据分析和人工智能的开创性实验工作。

  “国内量子计算的研究颇有亮点,但想要赶上欧美发达国家,还需要团队不懈努力。”潘建伟说,现在团队上下都鼓足了干劲,争分夺秒地追赶。“我们很有信心。”

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