量子通信將大幅提升信息安全水平 通用量子計算機誕生或還需20年

量子通信未來(lái)的發(fā)展，一方面需要擴大量子通信網(wǎng)絡(luò )的有效覆蓋范圍，包括實(shí)現量子通信網(wǎng)絡(luò )和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫銜接、實(shí)現可支持千公里量級的量子中繼、發(fā)展下一代可全天時(shí)工作的量子衛星網(wǎng)絡(luò )等;另一方面，需要在工程化集成與驗證的實(shí)踐中推動(dòng)核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應用標準的制定和規?；膽檬痉?。

30多年前，在科學(xué)家們對量子疊加、量子糾纏等量子力學(xué)基本問(wèn)題的研究過(guò)程中，精細的量子調控技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，使得人類(lèi)從對量子規律的被動(dòng)觀(guān)測跨越到對量子狀態(tài)的主動(dòng)精確操縱，由此我們現在所說(shuō)的“量子科技”便誕生了。

量子科技是融合量子調控和信息技術(shù)而產(chǎn)生的新興學(xué)科。在這一領(lǐng)域，我國已經(jīng)取得了一系列重要科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵核心技術(shù)突破，并在部分方向實(shí)現國際領(lǐng)先。我國量子科技將如何深化發(fā)展，自主創(chuàng )新科技體系將如何構建，從基礎研究到實(shí)用化、工程化的轉化之路將如何實(shí)現引領(lǐng)性突破?科技日報記者對中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉進(jìn)行了專(zhuān)訪(fǎng)，請他談?wù)剬α孔涌萍及l(fā)展的思考。

不會(huì )取代現有通信方式 量子通信將大幅提升信息安全水平

科技日報記者：在“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星發(fā)射升空后，我國科學(xué)家已經(jīng)利用它取得了一系列研究成果，并成功將量子通信發(fā)展到了實(shí)用階段，這是否意味著(zhù)，一種顛覆傳統的通信方式即將誕生?

潘建偉：盡管量子通信是一個(gè)新興領(lǐng)域，但它并不是要取代現有的通信方式，恰恰相反，它將以一種新的途徑來(lái)大幅提高現有信息系統的安全性。

現代信息安全體系的核心要素是密鑰，只要確保密鑰安全，就可以保證加密信息的安全。在傳統保密通信中，至今還沒(méi)有能?chē)栏褡C明其安全性的方法。

但量子保密通信卻可以在已有公開(kāi)信道中，通過(guò)量子密鑰分發(fā)實(shí)時(shí)產(chǎn)生密鑰并安全便捷地分配到用戶(hù)，使得在量子密鑰的傳輸過(guò)程中，如果信息被竊聽(tīng)，竊聽(tīng)者無(wú)法做到不留下痕跡。而且這一點(diǎn)是絕對的，是由量子力學(xué)基本原理所保證的。

換句話(huà)說(shuō)，量子保密通信是在傳統通信中使用量子密鑰以提升安全性，而非一種完全顛覆傳統的通信方式。

科技日報記者：目前，我國已通過(guò)“墨子號”和“京滬干線(xiàn)”的實(shí)驗，構建了首個(gè)天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò )雛形，我國量子通信也已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。那么，為持續保持引領(lǐng)地位，我國還需要在哪些方面著(zhù)力?

潘建偉：量子通信的發(fā)展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )體系。首先通過(guò)光纖實(shí)現城域量子通信網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)而通過(guò)中繼器實(shí)現鄰近兩個(gè)城市之間的連接，最終通過(guò)衛星平臺中轉來(lái)實(shí)現遙遠區域之間的連接，這是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展路線(xiàn)。

按照這一路線(xiàn)，量子通信未來(lái)的發(fā)展，一方面需要擴大量子通信網(wǎng)絡(luò )的有效覆蓋范圍，包括實(shí)現量子通信網(wǎng)絡(luò )和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫銜接、實(shí)現可支持千公里量級的量子中繼、發(fā)展下一代可全天時(shí)工作的量子衛星網(wǎng)絡(luò )等;另一方面，需要在工程化集成與驗證的實(shí)踐中推動(dòng)核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應用標準的制定和規?；膽檬痉?。

有3個(gè)里程碑發(fā)展階段 通用量子計算機誕生或還需20年

科技日報記者：除量子通信外，量子計算也得到了極高的關(guān)注，國內外均有企業(yè)聲稱(chēng)已進(jìn)入到量子計算領(lǐng)域，但同時(shí)也有觀(guān)點(diǎn)認為量子計算還很遙遠。對此您怎么看?

潘建偉：量子計算研究是一個(gè)高度復雜的工作，對于學(xué)術(shù)界而言，還是要循序漸進(jìn)，實(shí)現一個(gè)個(gè)階段性的目標。國際學(xué)術(shù)界公認的量子計算發(fā)展有幾個(gè)里程碑階段——

第一個(gè)里程碑是實(shí)現量子計算優(yōu)越性，即量子計算機對特定問(wèn)題的計算能力超越超級計算機，這需要相干操縱約50個(gè)量子比特。2019年谷歌實(shí)現的量子計算原型機“懸鈴木”就包含53個(gè)超導量子比特，在求解隨機線(xiàn)路采樣問(wèn)題上超越了超級計算機，也就是成功實(shí)現了量子計算優(yōu)越性。但是，求解隨機線(xiàn)路采樣目前看來(lái)還沒(méi)有現實(shí)意義，現在的量子計算原型機更像是一個(gè)“玩具”，只能在玩某一個(gè)游戲方面擊敗經(jīng)典計算機，它的重要意義在于，證明了量子計算機是可以超越經(jīng)典計算機的。

第二個(gè)里程碑是實(shí)現專(zhuān)用量子模擬機，即相干操縱數百個(gè)量子比特，用于解決若干超級計算機無(wú)法勝任的實(shí)用問(wèn)題，例如量子化學(xué)、新材料設計、優(yōu)化算法等。到這個(gè)時(shí)候，量子計算機才真正開(kāi)始有用，變成一個(gè)“工具”。我們希望能夠在5—10年內實(shí)現這樣的量子模擬機，這是當前的主要研究任務(wù)。

第三個(gè)里程碑是實(shí)現可編程的通用量子計算機，即相干操縱至少數百萬(wàn)個(gè)量子比特，同時(shí)將量子比特的操縱精度提高到超越容錯閾值(>99.9%)，能在經(jīng)典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。到了這一階段，量子計算機可能就和我們現在觀(guān)念中的計算機差不多了，可以用來(lái)快速解決很多問(wèn)題。不過(guò)，由于技術(shù)上的巨大挑戰，何時(shí)實(shí)現通用量子計算機尚不明確，學(xué)術(shù)界一般認為還需要20年甚至更長(cháng)的時(shí)間。

科技日報記者：前不久，您的團隊構建了76個(gè)光子的量子計算原型機“九章”，據媒體報道，其可以在1分鐘內實(shí)現超級計算機1億年才能完成的任務(wù)。您認為，我國的量子計算正處于什么階段?

潘建偉：根據現有的最優(yōu)經(jīng)典算法，“九章”處理高斯玻色取樣問(wèn)題的速度比目前最快的超級計算機“富岳”快100萬(wàn)億倍，標志著(zhù)我國也成功達到了量子計算優(yōu)越性的里程碑，且“九章”的等效速度比谷歌的“懸鈴木”快100億倍左右。

除了“九章”代表的光量子體系，超冷原子和超導線(xiàn)路也是公認最有可能率先實(shí)現大規模量子比特相干操控的物理體系。在超導量子計算方面，我國近期也有望實(shí)現超越谷歌的“量子計算優(yōu)越性”。在超冷原子體系中，我國在規?；蛹m纏的制備與操縱，對自旋軌道耦合、超冷分子反應等的量子模擬方面取得了系列重要成果，這為實(shí)現超冷原子體系的專(zhuān)用量子模擬機奠定了基礎。

離子、硅基量子點(diǎn)等物理體系同樣具有多比特擴展和容錯性的潛力，也是目前國際量子計算研究的熱點(diǎn)方向。在這些體系的量子計算基本要素方面，我國積累了大量關(guān)鍵技術(shù)，與國際主要研究力量處于并跑水平。

此外，由于拓撲量子計算在容錯能力上的優(yōu)越性，利用拓撲體系實(shí)現通用量子計算機是面向長(cháng)遠的重要研究目標，目前國內外均在為實(shí)現單個(gè)拓撲量子比特而努力，這將是一項“從0到1”的突破。

調控技術(shù)迅速發(fā)展 精密測量已經(jīng)進(jìn)入量子時(shí)代

科技日報記者：除上述兩大領(lǐng)域外，量子精密測量也是量子科技非常重要的細分領(lǐng)域，相比而言，公眾可能對它比較陌生。能否請您介紹一下，量子技術(shù)對精密測量的意義?

潘建偉：量子狀態(tài)對環(huán)境高度敏感，其實(shí)就是一個(gè)非常靈敏的傳感器。同時(shí)，物理量的量子化也提供了一個(gè)非常精確的基準，比如光子是光能量的最小單元，在一定頻率下，一個(gè)光子的能量就是固定值，那么如果我們能夠一個(gè)個(gè)地“數”光子的話(huà)，基本物理量中的發(fā)光強度就可以用光子數來(lái)定義，精度和穩定性都會(huì )大幅提升。這里“數”光子其實(shí)就是指量子調控的能力。

正是鑒于量子調控與量子信息技術(shù)的快速發(fā)展，2018年第26屆國際計量大會(huì )通過(guò)了量子化方法定義國際單位制的重大決議。事實(shí)上，時(shí)間、位置、加速度、電磁場(chǎng)等很多物理量，都可以利用量子技術(shù)實(shí)現超越經(jīng)典技術(shù)極限的精密測量。

科技日報記者：量子精密測量包括了哪些應用領(lǐng)域?

潘建偉：量子精密測量的主要應用包括高精度光頻標與時(shí)間頻率傳遞、量子陀螺儀、原子重力儀等量子導航技術(shù)，以及量子雷達、痕量原子示蹤、弱磁場(chǎng)探測等量子靈敏探測技術(shù)等。這些技術(shù)將在慣性導航、下一代時(shí)間基準、隱身目標識別、全球地形測繪、醫學(xué)檢驗等廣泛領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

我國量子精密測量領(lǐng)域的研究整體上相比發(fā)達國家還存在一定差距，但這個(gè)差距近年來(lái)正在迅速縮小，并且在部分方向上已經(jīng)與公開(kāi)報道的國際最高水平相當。

(更多內容請關(guān)注《前沿科學(xué)》量子科技專(zhuān)輯)

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近年來(lái)，超表面材料與量子光學(xué)結合成為重要的研究方向，而邊緣探測是圖像處理過(guò)程中的一種常用手段。相較于傳統的數字邊緣提取方法，模擬邊緣提取方法具有更高速度和更低能耗，但此前在量子糾纏照明下的超表面器件邊緣探測還沒(méi)有出現相關(guān)研究。

本次研究過(guò)程中，科研人員用線(xiàn)偏振光照射超表面器件發(fā)生光自旋霍爾效應，使兩個(gè)圓偏振的出射光場(chǎng)在空間發(fā)生微小的平移，從而導致出射光場(chǎng)的中間部分是線(xiàn)偏振、邊緣部分是圓偏振，隨后通過(guò)檢偏器可以提取待成像物體的邊緣輪廓。

那么，成像模式如何在正常模式和邊緣探測模式之間實(shí)現遠程切換?專(zhuān)家解釋說(shuō)，可利用偏振糾纏光源中的一個(gè)光子進(jìn)行照明，該光子含有兩種可能的偏振狀態(tài)，通過(guò)測量另外一個(gè)光子的狀態(tài)，用于照明的光子的偏振狀態(tài)也會(huì )隨之確定，因此通過(guò)遠程切換糾纏光子對中的用于觸發(fā)的光子的偏振狀態(tài)，就能切換不同的成像模式。

專(zhuān)家表示，該成果是量子超表面研究在圖像邊緣探測的一次嘗試，在圖像加密和隱寫(xiě)上具有潛在應用。另外，在光子照明匱乏的場(chǎng)景，如酶反應跟蹤與生物活體細胞的觀(guān)察上，較高信噪比會(huì )表現出一定優(yōu)勢。該工作將會(huì )促進(jìn)更多的關(guān)于量子光學(xué)和超表面材料結合的相關(guān)研究。

本報記者 畢文婷

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