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中国的量子科西宁代母技现状:通信领先,计算和测量有待追赶

  对大众来说,“量子”已经不是一个陌生的词,但一些商家的误导和过度宣传,让这个词变得不那么纯粹。“遇事不决,量子力学”这句调侃的话,道出了这个领域的尴尬境地。

  真正有技术含量的量子科技应该是怎么样的?目前量子科技主流的研究方向,是量子力学和信息科学的交叉学科——量子信息。

  实际上,以量子信息为代表的量子科技,正在推动着第二次量子革命。第一次量子革命主要是利用微观粒子系统的物理规律,诞生了半导体、激光和核能等新技术领域。而第二次量子革命,则是通过直接观测和操控微观粒子系统,对量子信息进行运用。

  和信息技术包含信息获取、处理和传递三个部分类似,对量子信息的运用,可细分为量子测量、量子计算和量子通信。这其中,量子通信和量子计算最受关注,但量子测量同样具有极大的发展潜力和市场前景。那么,在这三个领域中,中国目前处于什么样位置?

  图片 于锐观咨询在量子通信领域处于领先地位

  所谓量子通信,即利用微观粒子的特性,对传输的信息进行加密。值得注意的是,这里所说的“量子通信”本质上是一种新的加密手段,而信息的传输方式仍是常规手段(如光纤)。

  中国科学技术大学教授陈宇翱介绍,建立量子保密通信的终极目标,就是建立覆盖全国乃至全球范围的量子保密通信网络。目前世界上比较公认的路线图是:先利用光纤在城市内构建一个网络,然后利用中继连接城市。在超远距离,通过卫星的中转实现远距离的量子通信。

  中国已经率先走完了整个路线图。中国科学技术大学教授陆朝阳表示,在量子通信领域,“我国是全面领先于欧洲和美国的”。

  专利数量体现了这一优势。据中国信息通信研究院统计,中国最近几年申请量子通信相关的专利相当多,高于美国和日本。由于早期中国专利申请量较少,所以目前中国专利授权量少于美国,但未来会继续上升。

  专利之外,中国实实在在地在量子通信领域取得不少突破。科普中国一篇 写道,在很长时间内,量子通信的安全传输距离,只有 壹零 公里量级,因此学术界曾经认为量子密码学基本已经到头了,没有太大前途。贰零零叁 至 贰零零伍 年期间,韩国和中国科学家提出了一种新的协议,使得安全传输距离可以提高到百公里的量级。从此之后,量子通信蓬勃发展,而中国获得了领先地位,大部分的新纪录都是中国科学技术大学的研究团队创造的。

  说到中国科学技术大学,肯定绕不开潘建伟团队。早在 贰零零叁 年,该团队就提出,利用卫星实现星地间量子通信、构建覆盖全球量子保密通信网的方案。这方案于 贰零壹壹 年底正式立项,并在 贰零壹陆 年 捌 月 壹陆 日走出里程碑式的一步:中国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”。

  基于“墨子号”卫星,潘建伟团队在 贰零壹柒 年 捌 月完成了三大科学实验任务,比预想提前了一年多。这标志着中国率先掌握了星地一体广域量子通信网络技术。

  贰零壹柒 年 玖 月 贰玖 日,中国开通了世界首条量子保密通信干线“京沪干线”。这条量子通信保密干线全长 贰零零零 多公里,连接了北京和上海,贯穿济南和合肥,共有 叁贰 个量子通信节点。

  虽然量子加密的方式不可破解,但通信节点却是可以被攻破的。曾经有过论文提出,通过攻击节点的信源端来盗窃量子密码。简而言之,就是用物理手段来攻击量子通信所需的设备,而非数学意义上的破解密码。也就是说,“京沪干线”在工程层面上,其实是有理论上漏洞的。当然,这种漏洞也可以通过工程手段来解决,比如加强设备安全性。

  事实上,利用“墨子号”进行量子通信,也有安全隐患。基于常规传输方式进行信息传输,“墨子号” 卫星掌握着用户分发的全部密钥,倘若卫星被他方控制,就存在信息泄漏的风险。不过,潘建伟及其团队于 贰零贰零 年 陆 月发表在《自然》杂志上的一项成果解决了这个问题。

  该团队利用量子纠缠西宁代母的特性,只在地面站用户端对量子进行测量,纠缠源(卫星)不掌握密钥任何信息,即使卫星被他方劫持了,密钥也不会泄漏。在该论文之前,基于卫星纠缠的分发,效率低下、错误率高,不足以支持量子密钥分发。该团队通过对地面站望远镜进行特殊设计,升级主光学和后光路,解决了卫星纠缠分发效率低的问题。

  最终,他们借助 “墨子号”,在相隔 壹壹贰零 公里的两个地面站之间,成功实现基于纠缠的量子密钥分发。即使在卫星被他方控制的极端情况下,通过物理原理依然能实现安全量子通信。《自然》杂志审稿人对这一成果的评价是:“这是构建全球化量子密钥分发网络、甚至量子互联网的重要一步。”

  不管怎么说,有了“京沪干线”和“墨子号”,意味着中国初步构建了天地一体化的广域量子通信网络基础设施。在此基础上,中国得以推动量子通信技术的产业化应用。

  就“京沪干线”而言,已经被用于金融、政府和国防等领域的加密数据传输。一些互联网企业,也可通过阿里云使用云上量子通信加密服务。“墨子号”的产业化难度相对较高,过去配合“墨子号”使用的量子卫星地面站,体积庞大,重达十几吨,难以产业化应用。

  贰零壹玖 年 壹贰 月 叁零 日,中国自主研发的首个小型化可移动量子卫星地面站(重量仅 捌零 多公斤),与“墨子号”对接成功,实现了量子技术产品化的突破,中国量子通信有望进入产业化的时代。

  在建设“墨子号”和“京沪干线”项目过程中,潘建伟团队通过成果转化培育了一家商业公司——国盾量子。贰零壹柒 年起,美国将量子通信相关的关键技术、产品和器件列入出口管制名单,国盾量子希望靠自主研发,保障项目关键元器件的供应。

  贰零贰零 年 柒 月,国盾量子作为 A 股“量子通信第一股”上市,当天收盘价较发行价上涨 壹零 倍,足见中国资本市场对量子通信技术的追捧。不过,整体而言量子通信依然是一种新技术,现阶段还处于产品推广期。

  在量子计算和量子测量领域,仍待追赶

  量子计算是指利用量子力学原理来处理信息,相应西宁代母的计算机被称之为量子计算机。壹玖捌壹 年,美国物理学家查德?费曼提出,原则上,人们可以设计一种计算机,该计算机通过量子力学特性来工作。经典计算机的信息单位是比特,而量子计算机基于量子比特。

  经过几十年的发展,研究者们已经搭建起整个量子计算的理论体系。目前研究的重点,是把理论研究进行产业化。据中国科学技术大学博士、本源量子副总裁张辉介绍,从量子计算角度看,中国和美国至少还有 肆~伍 年的差距。

  据中国信息通信研究院统计,在专利层面,美国不管是申请量还是授权量,都稳居前列。中国专利申请量在 贰零壹捌 年超过了美国,但授权量与美国仍有不少差距。

  一些关键成果都是美国企业率先做出了突破。贰零壹玖 年初,IBM 推出了 贰零 个比特的量子计算原型机,并且已经开始售卖。贰零壹玖 年 壹零 月,《Nature》杂志刊登了 Google 关于“实现量子优越性”的论文。Google 制造出了 伍叁 个量子比特数的量子计算机,同样的计算量,量子计算机用 贰零零 秒就完成了,而目前最强的经典超级计算机,要花费 壹零零零零 年才能完成。

  目前,中国的学界和业界正努力缩短和美国的差距。在学界,浙江大学和中国科学院组成的团队,于 贰零壹玖 年 捌 月研发出了一枚具有 贰零 个量子比特的量子芯片,并且成功操控其实现全局纠缠,刷新了世界纪录。此前,固态量子器件中生成纠缠态的量子比特,最多是 壹贰 个。

  在业界,大公司如 、阿里巴巴、 和华为,创业公司如本源量子,都在量子计算上有所建树。其中,阿里巴巴在 贰零壹柒 年 伍 月宣布,造出了第一台光量子计算机。贰零壹捌 年 伍 月,阿里巴巴达摩院量子实验室,研制出了全球最强量子点路模拟器“太章”。而本源量子在 贰零贰零 年 玖 月 壹贰 日,上线了中国首个接入实体量子计算机的量子计算云平台。被接入的量子计算机叫“悟源”,除了外层制冷机由国外供应商提供外,其他部件都是本源量子自主研发,或由国内厂商制造。

  这台量子计算机只能提供 陆 个量子比特,对标的是 IBM 在 贰零壹柒 年在云端 的 伍 比特量子计算机。目前,IBM 在云平台上提供了 伍零 个量子比特的计算系统。

  量子通信和量子计算之外,量子信息学科还有另外一个重要方向——量子测量。经典测量方法受限于种种因素,测量精度提升面临瓶颈。而量子测量通过利用量子体系(如原子和光子)的量子特性或现象,如叠加态、纠缠态、相干等,可以突破经典力学框架下的测量极限,实现更高精度的测量,比如中国的北斗导航系统利用量子测量技术,把定位精度提高到非常高的程度。

  如上文所说,量子通信和量子计算在舆论场有较高声量,而量子测量的公众认知度相对较小,但普通人首先能用上的量子科技,或许就是量子测量相关成果。

  据中国信息通信研究院统计,与量子通信和量子计算相比,量子测量领域的专利申请和研究论文总量偏少,但近年来呈现增长趋势。从地域上看,美、中、日的专利申请量较多,且中国在 贰零壹捌 年赶超了美国,但综合实力仍不及美国。

  中国的研究多集中在高校和科研机构,如北京航空航天大学、中国科学技术大学以及中国航天科工三院 叁叁 所,其中中国科学技术大学刚刚取得一项重要科研进展。

  据新华社 贰零贰零 年 壹零 月 贰零 日 ,潘建伟、陆朝阳等人与美国普林斯顿大学等机构的学者合作,在同时具备高纯度、高效率的单光子源器件上观察到强度压缩,为实现基于单光子源的量子精密测量奠定了基础。

  总的来说,以量子信息为代表的第二次量子革命中,中国处于竞争的第一梯队。在量子通信领域,中国领先于世界。而在量子计算和量子测量领域,中国仍需追赶。

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