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​全国政协委员潘建伟:解密"新量子革命"

2021年08月19日 09:33  |  作者:王硕  |  来源:人民政协网
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量子

人民政协报记者 王硕

盘点近年来的科技热词,“量子”肯定能列入其中。但谈论的人多,理解的人却依旧寥寥。

量子力学不仅彻底改变了人类对世界的认知,也将使我们的生活发生翻天覆地的变化。但量子究竟是什么?科技领域有何研究进展?将为我们带来什么?在近日第二十三届中国科协年会上,全国政协委员,中国科协副主席、中国科学院院士潘建伟以“新量子革命”为题,为我们解答了诸多疑问——

量子力学重塑信息技术发展

在人类历史上,产业革命总是和科学革命紧密相连,而以信息技术为代表的产业革命主要是建立在量子力学和相对论的基础上。

所谓“量子”不是某种系统或某种物质,而是对我们构成物质最基本单元的统称,是能量最基本的携带者,它的基本特性就是不可分割性。

事实上,量子是我们的老朋友。量子力学为信息革命提供了硬件基础,激光、半导体晶体管、芯片的原理等都源于量子力学。

“正如晶体管是计算机的基础,激光技术是现代互联网的重要支撑,导航技术的发展离不开原子钟等精密测量技术的支撑……量子力学的建立直接催生了现代信息技术的发展。”潘建伟认为,“经过百余年的发展历程,量子力学已经为解决我们目前遇到的一些问题做好了技术上的储备。”

为何提出“新量子革命”?是因为随着技术的发展,量子科学技术出现了新的方向和新的生命力。学界对量子领域的研究已经从被动观测转为对量子状态进行主动操纵,被称为“第二次量子革命”。

具体到信息技术发展领域。一方面,信息安全是信息技术进一步发展的重要瓶颈,目前的网络信息安全每天都面临着严重的威胁。大概在100多年之前,大家就开始讨论,以人类的才智,到底能否构造出一种人类自身不可破解的密码?

另一方面,随着人工智能和大数据时代的到来,计算能力的需求进一步增加,需要找到一种新的途径。

在这样的背景下,利用量子的基本性质,推动信息科技的进一步发展就成为科学家们孜孜不倦的追求。

据潘建伟介绍,目前量子信息科学主要能够提供两种应用方式:一是无条件安全的信息传输方式;二是提供超快的计算能力,揭示复杂系统规律。

具体来说,由于量子不可分割原理,如果信息被别人拿走,最后的接收者将收不到密钥,也就不能拿密钥进行信息传递,这样可以保证加密内容不可破译;再加上量子力学认为,不可能把一个粒子的状态信息精确“拷贝”一份而不改变它本身,即量子态是不可复制的,保证了量子分发本身的安全性。

在计算方面,量子论和经典物理的最大不同,就是它认为事物状态并不是唯一确定的,而可以是各种可能性的“叠加”。如传统计算机处理信息的最小单位比特,要么是0要么是1;但在量子论看来,一个比特处于0和1的叠加态,被称为“量子比特”,利用这种性质处理数据时可以并行运算。换句话说,传统计算机一次只能处理一个信息,而量子计算机一次可以处理N个信息的叠加,计算效率大大提高。因此,量子计算具有强大潜能,可用于经典的密码破译、气象预报、金融分析、药物设计等。

走在前列的量子通信技术

2016年8月,“墨子号”量子科学实验卫星在酒泉卫星发射中心发射升空。这是世界上第一颗量子卫星,为我国引领世界量子通信技术发展奠定了坚实的科学与技术基础。

“墨子号”是我国在过去20年间大力发展量子信息技术的一个缩影。“量子信息技术已经成为欧美主要发达国家的一个重要战略布局。但因为我国在这个领域起步较早,也得到国家重视,所以一直保持一定优势。”

据潘建伟介绍,针对广域量子通信的发展路线,国际上有3种发展路线:通过光纤实现城域量子通信网络;通过中继器实现城际量子通信;通过卫星中转实现远距离量子通信。

我国在实用化城域光纤量子通信网络方面已经取得了较多进展。如2007年,实现了光纤量子通信的安全距离首次突破100公里;2008年,建成首个全通型城域量子通信网络;2012年,建成46个节点的规模化量子通信网络,并将“基于量子通信的高安全通信保障系统”投入永久运行。

在基于可信中继的城际量子通信网络方面,我国已建立光纤总长超2000公里的京沪干线,目前即将转入商业运营。

而第三种发展路线——在全球范围内覆盖各类海岛、远洋船舶、驻外机构等光纤难以或者无法到达的地方,“墨子号”的发射填补了这一空白。

潘建伟说,目前“墨子号”已顺利完成了三大科学实验任务。“我们实现了北京和乌鲁木齐之间遥远地点的量子分发,后又完成了双向量子纠缠分发和远距离量子隐形传态实验。在此基础上,完成了‘墨子号’和京沪干线的对接,实现了洲际量子保密通信;并对量子力学与引力的融合进行探索。”

实现“量子计算优越性”

在量子计算领域,由于其本身对环境的干扰非常敏感,潘建伟指出,真要造出一台通用的量子计算机大概还需要20年甚至更长的时间,因为会涉及几百万量子比特的相关操纵。因此,学界定义了3个阶段性的目标:

第一阶段是能够操纵50到60个量子比特,使处理某些特殊计算问题时超越传统计算机;第二阶段是能够操纵数百个甚至数千个量子比特,构建某种专用的量子计算机和量子模拟机,揭示某些经典计算机无法解决的复杂物理系统的规律;第三阶段是构建可编程的、通用的量子计算机。

我国在这些方面已取得了比较好的进展。

据介绍,潘建伟团队在2017年便构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机,这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机。

2020年年底,我国成功构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解,比当时最快的超级计算机快100万亿倍。而且最近又进一步升级,提高到113个光子,比2020年的结果提升了10个数量级。

此外,我国在超导量子计算方面也取得较好进展。

2019年初,中科院量子信息与量子科技创新研究院实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备,保真度达到70%,打破了以往10个超导量子比特纠缠的纪录。

2019年底,谷歌公司构建了53个比特的超导量子计算系统。

而今年5月,我国已成功研制出62个比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”,计算能力比谷歌的快3个数量级。目前,已进一步提升到66个超导比特,比谷歌的快5个数量级。

潘建伟说,我国是美国之外唯一一个在光量子计算及超导量子计算两个系统都实现“量子计算优越性”的国家。

“目前,我们正在向量子计算的第二个目标努力,即用量子模拟机解决重要的科学问题。如研究高温超导的相关机制,推动量子材料本身的发展,预计会在3至5年有较好进展。”

同时,潘建伟希望通过10到15年的努力,发展出能够支撑未来天地一体广域量子通信的相关应用;利用10年左右的时间,实现操纵数百万量子比特,为通用量子计算机的研究奠定基础。

编辑:刘红色

关键词:量子 计算 潘建 建伟


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