作者:田瑞颖 来源:中国科学报 发布时间:2023/5/25 15:46:19
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走进北京科技周,感受量子科技的中国“加速度”

 

5月20日-5月31日,2023年北京科技周在城市绿心森林公园举办。本届科技周活动主题是“热爱科学 崇尚科学“,主会场以“北京新征程”为主线,从“自立自强”“踔厉奋发”“勇毅前行”三个维度,以“征途”的道路形式呈现。

在主会场的量子信息展区,集中展示了北京市全力推进量子信息技术占先的阶段性重大成果。

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2023年北京科技周 田瑞颖摄

量子信息成为中国重要名片

量子信息科技是量子力学与信息技术相结合的前沿科技,是保障国家安全和支撑国民经济高质量发展提供核心战略力量,也是事关人类未来的关键核心技术领域。

2021年8月印发的《北京市“十四五”时期高精尖产业发展规划》提出,抢先布局一批未来前沿产业。其中,量子信息领域完善量子信息科学生态体系,加强量子材料工艺、核心器件和测控系统等核心技术攻关,推进国际主流的超导、拓扑和量子点量子计算机研制,开展量子保密通信核心器件集成化研究。

北京市将量子信息作为国际科技创新中心建设的重要任务,以北京量子信息科学研究院(以下简称北京量子院)为抓手,在重大基础前沿科学研究、关键核心技术攻关方面孕育出一系列阶段性重大成果。

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615公里开放式架构双场量子密钥分发 田瑞颖摄

“什么是量子密钥分发开放式新架构?“

随着“量子”一词出现在人们生活中的频率越来越高,量子信息展位前不少观众好奇地提问。

工作人员解释说,好比是,过去要两地之间进行“量子通话”,需要在通信两端连通“两条路”,而新架构出现后,只需要“一条路”即可实现。

北京量子院袁之良团队利用光频梳技术实现了开放式架构的双场量子密钥分发系统,并成功实现615公里的光纤量子通信,在长距离量子通信有了创新方案。

量子密钥分发基于量子物理的基本原理和一次一密的加密方式,可实现无条件安全通信。“双场”是目前所有量子密钥分发协议中,最适合远距离传输的一种。

工作人员告诉《中国科学报》,相较于传统的闭合式架构,开放式架构在确保量子通信安全性的同时,能大幅降低网络建设成本。这种新型架构支持城市内的“量子视频会议”和城市间的“量子语音电话”,将有助于我国建设多节点广域量子网络。

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量子反常霍尔效应演示 田瑞颖摄

我国之所以在量子科技领域取得重大创新成果,离不开勇攀高峰、勇闯“无人区”的科学家们。

在试验了上千个样品,克服了重重障碍之后,中国科学院院士、时任清华大学副校长、北京量子院院长薛其坤及其团队终于找到一种叫做“磁性拓扑绝缘体薄膜”的特殊材料,并从实验中观测到“量子反常霍尔效应”。

量子反常霍尔效应是一个基于全新物理原理的科学效应,是我国物理学家对人类科学知识宝库的重要贡献。薛其坤团队完成的“量子反常霍尔效应的实验发现”项目也荣获了2018年度国家自然科学奖一等奖。

据相关人员介绍,量子霍尔效应在凝聚态物理中占据着极其重要的地位。由于普通量子霍尔效应的产生需要用到非常强的磁场,这种磁场强度通常是地磁场的几万甚至几十万倍,因此应用起来非常昂贵且困难,而量子反常霍尔效应则不需要任何外加磁场。

因此,这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,并且可能加速推进信息技术革命的进程。

助推量子科技“加速”发展

当前,科技创新正在进入大科学时代,科技发展呈现出多源爆发、交汇叠加的“浪涌”现象,量子信息等前沿领域加速突破。随着我国近年来不断加大对量子科技的支持力度,我国量子科技发展已迈入快车道。

把握大趋势,下好先手棋。2021年11月发布的《北京市“十四五”时期国际科技创新中心建设规划》也提出,推动重点领域前沿技术引领,支持开展量子信息前沿技术研发。

量子产业的兴起与发展,首先依靠量子科技的快速发展。北京量子院研发的超高灵敏度原子磁强计,就可用于心脑磁测量以实现疾病诊断。

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原子磁强计的脑磁探测过程演示模型 田瑞颖摄

据相关人员介绍,由于人体的大脑和心脏会产生磁信号,如果出现心脏或脑部疾病,磁信号就会发生变化。通过心脑磁测量,可以实现部分疾病的早期检测。

这种超高灵敏度原子磁强计与超导磁强计相比,检测成本低,可推动心脑磁检测的普及。

此次科技周上展示的就是基于原子自旋效应的超高灵敏度的磁场测量装置的缩小版模型,以及基于此原理开发一套互动性强的基于原子磁强计的脑磁探测过程演示模型。

这套演示模型通过选择人体视觉、听觉、肢体运动的变化,展示出人脑的电磁信号变化,就能显示出不同脑部位置磁信号的变化过程。观众通过这套展示,就能进一步了解我国超高灵敏磁场测量的技术水平。


 
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