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中國科學院院士潘建偉詳解“量子稱霸”時間表

2019-10-15

  “10年到20年”、“50年到100年”,這些數字從側面反映了潘建偉對量子通信發展的謹慎及遠慮。這與A股量子概念股聞風暴漲相映成趣。

  在27日舉行的“2016年上海院士峰會”上,中國科學院院士潘建偉表示,在量子通信領域,希望通過10到20年的努力,構建一個天地一體(星地)的全球化量子通信網絡;通過50年甚至100年時間,最終構建基于量子安全保障的未來通信網絡。

  10到20年構建全球星地量子通信

  量子理論從誕生起就跟信息科技緊密相連,催生了計算機、互聯網,現在又為解決大數據時代計算能力不足、信息安全瓶頸做好了準備,進入了量子信息科學時代。

  潘建偉在峰會上表示,量子即構成物質的最基本單元,包括分子、原子、光子等,不僅可處于二進制狀態下的0和1狀態,還可處于中間疊加狀態;基于其不可分割及疊加原理(量子疊加狀態下無法測量和無法精確復制),可實現原理上無條件安全的通信,即量子通信。但鑒于量子態傳輸的復雜性,在網絡中實現量子態的傳輸也許還要50年甚至100年。

  潘建偉介紹,在經典通信領域,利用量子的不可分割和疊加原理,進行量子秘鑰的分發,來實現安全的通信。“鑒于不可分割,竊聽者無法對光子進行分割獲取信息,如果移走則改變其存在狀態,我們就知道秘鑰丟失了。”

  但量子秘鑰分發及傳輸也面臨諸多挑戰。一是光源及探測器的不完美導致秘鑰不安全,準單光子源(弱光脈沖)只能發出近似單光子,易于被竊聽者截獲,且成碼率非常低(每1000秒內發送一個碼)。潘建偉介紹其團隊通過誘騙態量子秘鑰分發、測量器件無光的量子秘鑰分發解決了上述問題。二是光量子信息處理面臨遠距離光纖損耗過大、與環境的耦合會使糾纏品質下降、效率低下等挑戰,光纖中信號無法放大,即使采用最先進的手段要實現千公里的量子秘鑰傳輸,平均每100年才能傳輸0.3個光子。

  目前,潘建偉團隊采用可信中繼站和星地量子通信兩條路徑來實現量子秘鑰傳輸。在可信中繼站探索上,通過中繼器放大信號,保證秘鑰的傳輸與安全,潘建偉團隊與工商銀行(行情601398,買入)合作的量子京滬干線有望年底建成,可有效拓展通信距離。星地量子通信方面,潘建偉團隊通過實驗,驗證了微弱的量子態在穿越大氣層后是可有效保持的,且做到每秒可以傳送1萬個秘鑰,千公里距離量級損耗為40kbps,并于8月16日發射了星地量子衛星墨子號。

  “目前看來,星地量子傳輸是成熟、實用的技術,但我們希望最終在地面實現幾千公里的量子通信。”潘建偉介紹,“我們希望通過10到20年的努力,構建一個天地一體的全球化量子通信網絡,最后構建基于量子安全保障的地面通信網絡。”為此,潘建偉團隊正在進行量子中繼的驗證。截至目前,其團隊已實現500公里量級的量子中繼。

  專用量子模擬計算機尚需10年努力

  量子信息科學的另外一個重要應用是量子計算,可實現計算能力的飛躍。基于量子的疊加特性,量子計算機可實現并行的分布式量子信息處理,同時對2的N次方個數進行數學運算,這相當于經典計算機重復實施2的N次方操作。這種分布式計算可大大提高運算能力、縮短運算時間,適用于大數據及人工智能領域。比如,求解10的24次方變量的方程組,目前最快的太湖之光超級計算機需要100年左右計算時間,但用量子計算機大概需要0.01秒。

  鑒于巨大的潛在應用價值,量子計算成為國際上的研究熱點。潘建偉介紹,今年5月美國國家科學基金會(NSF)將“下一代量子革命”作為未來六大科研前言之一。今年4月,歐盟宣布將投入10億歐元支持量子技術旗艦項目。國際巨頭如谷歌、IBM、微軟也已介入量子計算的研究中。

  但潘建偉表示,真正實現可編程的、通用量子計算機,可能需要30年甚至50年。潘建偉認為,目前構建一個簡單的、只能計算一種問題的量子模擬計算機(而非通用的)是比較可行的。潘建偉期望通過5到10年的能力,實現50量子位的量子模擬計算。

  在可擴展量子信息處理上,超冷原子量子調控成為研究熱點,通過將超冷原子裝到光晶格中,可方便地實現基于超冷原子量子調控的模擬量子計算。潘建偉團隊近期已實現約600對超冷原子的糾纏態,向基于超冷原子的可擴展量子計算和量子模擬邁出重要一步。

  潘建偉說,在量子計算上,希望通過將近10年努力產生100對粒子的糾纏,在特定問題的求解上,實現計算能力達到現有全球計算能力的百萬倍。


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