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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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量子通信 开创信息产业新纪元

2017-12-21 15:48:00

  纵观人类通信史,从最原始的结绳记事到语言文字的沟通交流,从近代远程传送信息的电报电话,到当前普遍流行的智能手机、网络等,不断发展的通信方式极大地缩短了人与人之间的距离,深刻改变了人们的生活方式和社交方式。信息传输也已从传输方式和手段的更新,进入了讨论“如何保证传输安全”的新时代。

  解惑:什么是量子通信技术

  量子是构成物质的不可再分割的基本单元。量子世界的两个基本原理是量子叠加和量子纠缠,前者是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上,如著名的“薛定谔的猫”理论所形象表述的:“一只猫可以既是活的又是死的”;后者是指两个处于纠缠态的微观粒子,不论分隔多远,改变其中一个粒子的量子态,都会影响并改变另一个的状态。

  量子通信技术是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式,是结合了量子论和信息论的全新研究领域。量子通信的“量子纠缠”等特性,在理论上具有超强保密性、超大容量和超远传输距离等特点,并能实现无法破译的保密通信。

  高效安全的信息传输日益受到人们关注,量子通信也已成为当前国际上的热门研究课题之一。特别是近年来,量子通信已逐步从理论走向实用化、商业化和产业化。

  通过近几年的发展,我国已经逐步攻克了量子通信技术的一些难点,将量子通信理论从实验室带向实际应用,实现了多项世界瞩目的科研成果转化。比如于2016年开通的“沪杭干线”(浙江段),就是全球第一条量子保密通信商用干线,它的开通运营标志着量子通信产业化时代的到来,同时也拉开了量子通信产业市场化运营的大幕。未来的量子通信产业,必将给浙江的经济和社会发展带来巨大而深远的影响。

  回顾:量子通信走过的路

  1984年,IBM两位工程师提出了通过量子物理学的极端特性来确保秘密不被窃取的保密通信方案;1989年,IBM实验室成功让光子携带密钥“走”了30厘米,证实了量子保密通信的可行性;1991年,英国科学家提出以量子纠缠态来发密文,奠定了量子通信技术的理论基础;2006年,我国潘建伟科研团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了超过100千米的光纤量子密钥分发;2008年,潘建伟团队发明的量子中继器被英国《自然》杂志赞誉为“清除了量子通信的一块拦路石”。至此,各国科学家共同努力为量子通信的商业化和产业化发展铺平了道路。

  2016年,中国又在量子通信应用方面实现了多项突破,比如“墨子号”的升空、“沪杭干线”(浙江段)的开通,以及随后“京沪干线”的开通。 其中“沪杭干线”将实现杭州和上海两地间量子安全级别的语音电话、视频电话、文件传输业务,而作为国家量子通信骨干网,总长2000多千米的“京沪干线”则可应用于军事、金融、政务等多个领域的信息安全传输。

  量子技术正催生量子通信产业链的千亿市场,引发世界新一轮的通信技术研发竞争,而多个世界“第一”的实现,表明中国在量子技术应用领域已走在了世界前列。

  纵览:各国量子技术的应用与研究

  IBM日前宣布,他们正在研发世界第一台商业化通用量子计算机,预计未来5年内可通过云计算进行多种科学探索,并开发商业化应用的量子计算机程序。

  传统计算机通过晶体管的“开”与“关”两种状态,以0和1的组合来表示各种数据,而量子计算机的量子比特可同时模拟1和0,这意味着一个量子位可以执行多个计算,所以量子计算机解决某些问题的速度要比传统计算机快得多。

  从理论上说,拥有300个量子位的量子计算机瞬间执行计算的次数,比宇宙中所有原子的数量加在一起还要多,而IBM的目标则是构建一个基于超导电路的约50个量子位的系统。IBM称,量子计算机最先可能应用于预测复杂分子的化学性质,其他可能的应用还包括发现新药物和新材料、优化供应链、建立新型财务数据模型、评估风险因素做出最佳投资决策、提高人工智能的图像和视频搜索能力,以及增强云计算的安全性等。

  另外,激光二极管发射的光子会载有量子加密数据,因此有可能会出现漏洞,而英国剑桥实验室的研究人员,也已找到了通过“诱饵”光子及时监测并发现安全通信通道上窃听行为的方法。

  不久前,我国科学家又在基于光和超导体系的量子计算机研究方面取得重大突破:在光量子计算机研究中,建造了世界上超越早期经典计算机的光量子计算原型机;在超导量子计算机研究中,实现了世界上纠缠数目最多的超导量子比特处理器。这两项成果分别发表于国际学术期刊《自然·光子学》和《物理评论快报》上。

  借鉴:谷歌的量子技术商业化模式

  不久前,谷歌量子人工智能实验室的马苏特·穆赫辛尼等人撰文,讨论了量子技术的商业化投资机遇及未来五年内的开发前景。穆赫辛尼等人在文章中重点介绍了三种可进行早期商业化推广的量子计算技术:量子模拟、量子辅助优化和量子抽样。

  量子模拟是最令人期待的量子计算实际应用之一,如模拟化学反应和建立新材料开发模型等,研究人员可通过量子模拟对数以百万计的候选方案进行研究,开发新材料并确定其性能。无论是制造飞机所需的更强的聚合物,使用于汽车上的更有效的催化转换器,更高效的太阳能电池材料,还是疗效更好的药物或透气性更好的织物,量子模拟更快的开发速度都将带来巨大的商用价值。目前,发现新材料已是一个很大的产业,从定性描述到定量预测,量子技术都可完成一系列重要材料的模拟任务。

  量子辅助优化则可有效解决物理学、社会科学和各个行业中所有涉及量化计算的核心优化任务。传统计算机对所有可能解决方案进行测试的计算速度太慢,而通过量子计算和传统计算机的组合,则可获得更强大的解决方案,提高许多行业的产品质量和服务质量。比如,物流公司可优化调度、规划和产品分配,医院可提高医疗诊断的速度和准确性,企业可借助量子算法,以最有效的方式应对消费者需求和市场变化。

  与传统电路相比,理想的量子电路可在同样时间内在更大的概率分布范围内进行抽样统计,因此可广泛应用于统计和机器学习领域,其应用前景包括机器学习中的推理和模式识别,以促进学术界和产业界的实验研究。

  展望:量子通信产业化前景广阔

  量子通信产业化前景广阔,充满了无限的可能性。“沪杭干线”(浙江段)的开通是我国构建量子通信大网的一个良好开端,随着市场化的进展,2017年长三角地区会进一步推进量子通信产业的应用和普及,并极有可能出现真正的市场化产品。浙江省政府多次强调,要努力把浙江打造成量子通信研发和产业化的重要基地。未来量子产业化的发展将主要分成三个阶段:第一阶段,降低成本,为“量子+时代”的到来奠定基础;第二阶段,在全国组建一个私密而安全的量子通信网络;第三阶段,量子通信将真正为互联网行业和支付领域带来巨大变化,我们将迎来一个更加安全和谐的“量子+时代”。

  量子通信产业链主要包含元器件、通讯设备、量子通信网络运营及专网应用服务四个环节,任何一个环节都充满商机。事实上,量子通信“永不被解密”的安全传输方式,已在市场上得到了产业化应用,我国多家银行已率先试用了量子通信加密技术。从理论上讲,通过设备产生量子密钥,再对数据进行加密传输,是绝对安全的。

  目前,我国的量子通信将率先应用于政府、军队和金融机构的数据传输和存储的专网通信中,未来还将逐渐扩展到公网和云安全等领域。事实上,量子通信技术已经渗透进了我们日常生活的各个方面,目前普遍使用的计算机、智能手机、互联网、时间标准和导航等,无一不是得益于量子通信技术。未来十几年内,量子通信技术将“飞入寻常百姓家”,届时,我们的各类网上私人信息将更加安全,形形色色的泄密事件再难发生。

  潘建伟院士曾说:“希望在未来10~20年内,在我国构建一个天地一体的全球化量子通信网络,形成一个完整的产业链。”随着产业化的逐步成熟和成本的下降,量子通信必将走进千家万户,我们很快就会迎来量子通信技术飞速发展的新时代。不久,相关技术的转化应用就将带领人类社会进入一个拥有更高工作效率、更安全信息传递途径,以及更便捷、更绿色环保生活方式的新时代。

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