作者:周琳 徐海涛 董瑞丰 来源:经济参考报 发布时间:2017/10/21 14:01:34
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量子革命:开启未来科技“新引擎”

 

“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。

量子世界的年轻人

周琳

时间倒回到2016年9月23日。那时,世界首颗量子科学实验卫星上天不过月余。也不知道是团队里的谁突发奇想,在新疆南山地面站,该项目的部分参与者集中到户外,等待卫星飞过头上的苍穹。在红绿光交会的那一刻,他们拍下一张合影。

在那个瞬间,印娟想起2008年的暑假,26岁的她和25岁的曹原在佘山天文台,第一次验证了星地之间量子通信可行的那一刻,印娟大喊,“曹原你别动(仪器),你快来,我收到啦,我收到啦!”

廖胜凯想起自己2010年博士答辩的那一天。博士论文方向是卫星地面站跟瞄系统的他,6年后终于给自己的博士论文画上了句号,当年赌上青春的猜想,证明是可行的。

拍摄这张合影时,1983年出生的曹原在兴隆地面站进行星地光链路测试;1987年生的徐凭在西藏阿里地面站裹着“军大衣+羽绒服”做实验;同为1987年的芮俊参与了量子化学这一全新方向的实验,在国际竞争中独辟蹊径;1988年的吴湛所在的小组在量子模拟系统中坚定地走出了比国际同行高一个维度的新方向。

拍摄这张合影的人,叫戴辉,是他们的学生,妥妥90后。

微小的量子世界里,装下了很多年轻人,几乎没有一个是在单兵前进。近百年来,包括爱因斯坦、玻尔等在内的几代科学家,一直在追寻着量子世界的奥秘。这一次,发出追问的,是这群年轻人。

量子光源是一种极其微弱的光信号。单光子级的光信号亮度,相当于一根蜡烛在140公里之外的人眼中的强度,要知道,人类肉眼能够分辨蜡烛光亮的极限距离,大约才700米。

早在2008年,印娟和曹原被派到上海佘山,借助天文台和卫星之间的光信号星地传输,证明单光子级别的光源也能被地面接收,为星地一体量子通信网络提供实验支撑。

一个无人尝试过的题目。一年间,印娟在楼顶望远镜旁盯着电脑,曹原在楼下控制偏正补偿,日复一日。由于天气、技术参数等多种因素影响,电脑上几个月都没有一丝信号。忽然有一天,惊喜降临,望远镜和卫星交会在一起时,屏幕上出现了一丝微弱的抖动。

这是历史上第一次证明,如果从卫星上发射单光子级的光信号的话,地面上是可以收到的。也就是说,基于卫星的量子通信是可行的。

走进量子世界,为后来人探出一条平稳的路,让大家渐渐明白这个世界的用处在哪里,是中国量子科学人的初心。做这样的研究,就像是茫茫黑夜独行,面前是一片混沌旷野,不知道研究方向是否正确,不知道要花费多少时间,不知道最后能不能做得出来。

但科学研究不是一个方法不行,就赶紧换一个方法;而是不停地问自己,为什么这个方法不行。定位问题、复现问题、分析问题……要想解决问题,只有一步一步地往前走。“必须把前一步的所有问题都解决,才能进入下一步。实验做到最后,成不成基本上心里早就有数了。”

把量子纠缠源送上太空前,曹原和他的同事发现它的指标总是出现波动。不可能给天上的卫星配一个“维修工”,只有抓紧分析。问题定位到一个指甲盖大小的光学器件——光束分束器,然后做出50多套相同的试验件,穷尽每一个疑点。

“容得下一张书桌”的中国科学技术大学,默默地给了他们“打怪升级”最大的包容;组建实验室的时候,他们的导师潘建伟院士放开所有束缚,他们可以5年不发一篇论文;团队各司其职,杂务最大程度为实验让步,让大家可以持续高强度、高质量工作。

每一步的基础都打得特别牢,取得理想成绩便显得“自然而然”。他们相信在这里,望得见第二次信息革命的曙光,付出整个学术生涯也值得。

 
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