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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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领跑世界的中国量子信息科学

2018-01-22 13:25:00

  2016年1月8日,潘建伟院士及其团队无疑成为中国科学界最闪耀的明星。这一天,由潘建伟、彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵组成的中国科学技术大学多光子纠缠及干涉度量研究团队,获得2015年度国家自然科学一等奖。他们凭借在多光子纠缠及干涉度量上的重要研究和发现取得了量子通信、量子计算等领域的系统性关键突破。

  目前,世界各国和地区的相关科学家在抓紧传统计算机领域你追我赶的同时,都早已把目光转向量子力学与现代信息科学“双剑合璧”的全新领域,力图首先制造出运算速度和性能都不可思议的量子计算机,抢先开启本国的“量子时代”。对这个在量子科学研究领域屹立于世界领先位置的潘建伟团队来说,他们的获奖实至名归。

  不可思议的量子信息科学

  在当今信息技术中,量子力学仅仅用来研究半导体和激光的物理性质,信息的传输和处理还只属于经典物理学,而直接利用量子力学来运输和处理信息,则是植根于量子物理学的新一代信息科技,它将引领下一次信息革命,把人类带到信息时代的顶峰。

  量子信息的基本单元为“量子比特”。经典比特是固定的0或1,而量子比特可以同时表示0和1这两个数值,即量子力学中的叠加态。量子信息科技通过对光子、原子等微观粒子进行精确的人工操纵方式对信息进行编码、存储、传输和调制,在提高运算速度和确保信息安全等方面都突破了经典信息技术的瓶颈。

  量子信息科技主要包括量子通信、量子计算等研究方向,这已经成为物理学和信息科学最活跃的研究前沿之一。中国科学技术大学在量子信息科技研究上具有一定的优势,其中在量子通信领域更是世界领先。

  量子通信可分为量子保密通信和量子比特传输两个研究方向。其中量子保密通信是以量子密钥分发技术为核心,结合数字通信和对称密码技术实现的新型保密通信技术。

  量子密钥分发技术利用了著名的BB84协议,该协议以“量子态不可精确克隆”的性质为基础,通过单光子的量子态建立量子密钥。密钥具有不可复制性,能够从根本上排除窃听,因此量子保密通信是迄今唯一被严格证明是“无条件安全”的通信方式,可以从根本上解决政务、国防、金融、商业等领域的信息安全问题。

  量子比特传输则是利用量子纠缠来传输量子比特,可分为量子纠缠分发和量子隐形传态两个阶段。量子纠缠是指粒子在由两个或两个以上的粒子组成的系统中相互影响的现象,这种影响不受距离的限制,即使两个粒子分隔在直径达10万光年的银河系两端,一个粒子的变化仍会瞬间影响另外一个粒子。量子纠缠分发不但可以验证量子力学的非域性,还可以在此基础上传输任意量子比特(即实现量子隐形传态),为未来量子计算机之间的通信建立基础。发展量子通信的终极目标是构建广域乃至全球范围的绝对安全的量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络连接一个中等城市内部的通信节点,通过量子中继实现邻近两个城市之间的连接,通过卫星与地面站之间的自由空间光子传输和卫星平台中转实现两个遥远区域之间的连接,是实现全球范围量子通信最理想的路线图。

  量子计算具有超快的并行计算能力,会突破摩尔定律的限制,可为密码分析、气象预报、矿产勘探和药物设计,以及网络大数据等大量信息处理提供解决方案,它是量子信息研究的重中之重。量子模拟可揭示高温超导、惯性约束核聚变等系统复杂的物理机制,为先进材料制造和新能源开发奠定科学基础。

  量子计算通过量子比特的量子叠加态可以同时运算多个数值,即真正意义上的“平行计算”,效率远高于传统计算机。量子计算的一个重要应用就是“舒尔算法”,该算法在大数分解的计算中相比传统算法具有革命性的优势。目前很多加密算法(例如RSA加密)的安全基础就在于无法利用普通计算机在有限的时间内对于一个大数进行分解,而量子计算机却不在话下,它将使目前的加密系统都不堪一击。另一个量子计算机的重要应用是“Grover 搜索算法”,即通过量子计算的并行能力,同时给整个数据库做变换,用最快的骤搜索到需要的数据。Grover搜索算法远远超出了经典计算机的数据搜索速度,将对未来互联网的搜索引擎产生巨大影响。

  鉴于量子信息科技的重要意义,我国政府高度重视该领域的发展。在国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中就将“量子调控研究”列入科技部6项“重大科学研究计划”之一。此外,在国务院最新正式印发的《“十三五”国家科技创新规划》中列举的面向2030年的15个重大科技项目中,“量子通信和量子计算”也成为最先开展的4个重大专项之一。

  我国量子通信领跑世界

  量子通信是量子信息领域中最先实现实用化和产业化的研究方向。而中国科学技术大学在这个方向上一直走在世界的最前沿。

  在量子通信城域网络方面,中科大于2007年首次使光纤量子通信的安全距离突破 100 千米。继而在2008年,我国实现了国际上首个全通型量子通信网络,并利用上述成果为“2009年国庆60周年大阅兵”关键节点间构建了“量子通信热线”,为重要信息的安全传送提供了保障。

  2009年,中科大又在世界上率先将采用诱骗态方案的量子通信距离突破至200千米。同年,中科大在安徽省芜湖市建设了国际上首个量子政务网。

  2012年,在安徽省政府和合肥市政府的大力支持下,以中科大的技术成果为支撑,合肥市建成了世界上首个规模化(46个节点)的量子通信网络,标志着大容量的城域量子通信网络技术已经成熟。同年,中科大研制的最新型量子通信装备又在北京投入常态运行,为“十八大”等国家重要政治活动提供信息安全保障。

  2013年底,在山东省政府的支持下,以中科大的技术成果为支撑建成的56节点的“济南量子通信试验网”投入使用,并实现了长时间稳定运行。这代表着我国的量子通信网络技术在实用化方面已达到了国际领先水平。同年,中科大又在核心量子通信器件研究上取得重要突破,成功开发了国际上迄今最先进的室温通信波段单光子探测器,并利用该探测器在国际上首次实现了与测量器件无关的量子通信,成功解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患问题,大大提高了现实环境中量子通信系统的安全性。

  2013年,国家批准立项的量子保密通信“京沪干线”由中科大承建,2016年年底全线贯通。该干线连接北京与上海,全长2000余千米,是世界首条量子保密通信主干网。

  2017年1月以来,研究人员对“京沪干线”进行了各分系统的应用测试和720小时长时间稳定性测试,测试结果表明系统的各项技术性能指标均达到设计要求。2017年9月,“京沪干线”通过技术验收,已具备开通条件。

  在量子比特传输领域,早在1997年,潘建伟和同事们在奥地利就通过实验实现了国际上首次量子态隐形传输,成果入选美国《科学》杂志“年度十大科技进展”,并被英国《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。回到中科大后,潘建伟团队在2005年就实现了距离达13千米的自由空间量子纠缠分发和量子通信,在国际上首次证明纠缠光子在穿透等效于整个大气层厚度的地面大气后,纠缠仍然能够保持,并可应用于高效、安全的量子通信,为后续自由空间量子通信实验奠定了基础。

  2010年,潘建伟团队又实现了当时国际上距离最远的(16千米)自由空间量子态隐形传输。2012-2013年间,潘建伟团队实现了百千米自由空间量子态隐形传输和纠缠分发,并实现了星地量子通信可行性的全方位地面验证。这些研究工作通过地基实验坚实地证明了,基于卫星的全球量子通信网络和开展空间尺度量子力学基础检验是可行的。

  2017年7月,潘建伟团队在国际上首次成功地实现了白天远距离(53千米)自由空间量子密钥分发,通地基实验在信道损耗和噪声水平方面有效验证了未来构建基于量子星座的星地、星间量子通信网络的可行性。

  在量子中继研究方面,2003年,潘建伟团队在国际上首次通过实验实现了普适的量子纠缠纯化。

  2008年,潘建伟团队利用冷原子量子存储首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换,完美演示了量子中继器。2012年,潘建伟团队实现了国际上综合性能最优的长寿命、高读出效率的量子存储。

  2012年至今,潘建伟团队承担了“量子科学实验卫星”空间先导专项,这颗名为“墨子号”的卫星已于2016年8月成功发射。卫星的目标是在世界上首次实现星地间的量子保密通信和量子比特传输。

  可见,量子通信已经成为我国为数不多的具有世界领先水平的尖端技术。2012年年底,英国《自然》杂志在评选“年度十大科技亮点”时专门报道了中国科学技术大学在量子通信领域的研究成果,并指出:“在量子通信领域,中国用了不到十年的时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅……”2015年年底,潘建伟团队的“光子多自由度隐形传态”实验被英国《物理世界》杂志评选为当年的“世界物理学十大进展”中的第一名。

  令人期待的我国量子计算研究

  在量子计算研究领域,中科大潘建伟团队一直在量子计算的核心资源“多粒子纠缠”的制备与操纵上处于国际领先地位。该团队始终保持着纠缠光子数目的世界纪录,并利用多光子纠缠在国际上率先实现了Shor算法、Grover算法、求解线性方程组算法等一系列重要量子算法的演示,并于2012年实现了拓扑量子纠错的实验演示,极大地提升了实现可扩展量子计算的可行性。

  2015年,该团队和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子计算联合实验室”,在保持光量子计算世界领先地位的同时,将大力推动我国量子计算整体研究水平。

  量子保密通信在可预见的未来将成为信息安全的重中之重,为我国互联网的信息安全保驾护航。而量子计算和量子比特传输将催生下一次信息革命,在未来构建出计算速度更快、信息传输更安全的全量子互联网,并在基于量子计算的人工智能上取得质的飞跃,彻底改变人类的生活。

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