中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉詳解“量子稱霸”時(shí)間表

　　ICCSZ訊    “10年到20年”、“50年到100年”，這些數(shù)字從側(cè)面反映了潘建偉對(duì)量子通信發(fā)展的謹(jǐn)慎及遠(yuǎn)慮。這與A股量子概念股聞風(fēng)暴漲相映成趣。

　　在27日舉行的“2016年上海院士峰會(huì)”上，中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉表示，在量子通信領(lǐng)域，希望通過10到20年的努力，構(gòu)建一個(gè)天地一體(星地)的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò);通過50年甚至100年時(shí)間，最終構(gòu)建基于量子安全保障的未來通信網(wǎng)絡(luò)。

　　10到20年構(gòu)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(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)在又為解決大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算能力不足、信息安全瓶頸做好了準(zhǔn)備，進(jìn)入了量子信息科學(xué)時(shí)代。

　　潘建偉在峰會(huì)上表示，量子即構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，包括分子、原子、光子等，不僅可處于二進(jìn)制狀態(tài)下的0和1狀態(tài)，還可處于中間疊加狀態(tài);基于其不可分割及疊加原理(量子疊加狀態(tài)下無法測(cè)量和無法精確復(fù)制)，可實(shí)現(xiàn)原理上無條件安全的通信，即量子通信。但鑒于量子態(tài)傳輸?shù)膹?fù)雜性，在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的傳輸也許還要50年甚至100年。

　　潘建偉介紹，在經(jīng)典通信領(lǐng)域，利用量子的不可分割和疊加原理，進(jìn)行量子秘鑰的分發(fā)，來實(shí)現(xiàn)安全的通信。“鑒于不可分割，竊聽者無法對(duì)光子進(jìn)行分割獲取信息，如果移走則改變其存在狀態(tài)，我們就知道秘鑰丟失了。”

　　但量子秘鑰分發(fā)及傳輸也面臨諸多挑戰(zhàn)。一是光源及探測(cè)器的不完美導(dǎo)致秘鑰不安全，準(zhǔn)單光子源(弱光脈沖)只能發(fā)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(nèi)發(fā)送一個(gè)碼)。潘建偉介紹其團(tuán)隊(duì)通過誘騙態(tài)量子秘鑰分發(fā)、測(cè)量器件無光的量子秘鑰分發(fā)解決了上述問題。二是光量子信息處理面臨遠(yuǎn)距離光纖損耗過大、與環(huán)境的耦合會(huì)使糾纏品質(zhì)下降、效率低下等挑戰(zhàn)，光纖中信號(hào)無法放大，即使采用最先進(jìn)的手段要實(shí)現(xiàn)千公里的量子秘鑰傳輸，平均每100年才能傳輸0.3個(gè)光子。

　　目前，潘建偉團(tuán)隊(duì)采用可信中繼站和星地量子通信兩條路徑來實(shí)現(xiàn)量子秘鑰傳輸。在可信中繼站探索上，通過中繼器放大信號(hào)，保證秘鑰的傳輸與安全，潘建偉團(tuán)隊(duì)與工商銀行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(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了微弱的量子態(tài)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(gè)秘鑰，千公里距離量級(jí)損耗為40kbps，并于8月16日發(fā)射了星地量子衛(wèi)星墨子號(hào)。

　　“目前看來，星地量子傳輸是成熟、實(shí)用的技術(shù)，但我們希望最終在地面實(shí)現(xiàn)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(gòu)建一個(gè)天地一體的全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)，最后構(gòu)建基于量子安全保障的地面通信網(wǎng)絡(luò)。”為此，潘建偉團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行量子中繼的驗(yàn)證。截至目前，其團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)500公里量級(jí)的量子中繼。

　　專用量子模擬計(jì)算機(jī)尚需10年努力

　　量子信息科學(xué)的另外一個(gè)重要應(yīng)用是量子計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的飛躍。基于量子的疊加特性，量子計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)并行的分布式量子信息處理，同時(shí)對(duì)2的N次方個(gè)數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，這相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)重復(fù)實(shí)施2的N次方操作。這種分布式計(jì)算可大大提高運(yùn)算能力、縮短運(yùn)算時(shí)間，適用于大數(shù)據(jù)及人工智能領(lǐng)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(jí)計(jì)算機(jī)需要100年左右計(jì)算時(shí)間，但用量子計(jì)算機(jī)大概需要0.01秒。

　　鑒于巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，量子計(jì)算成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。潘建偉介紹，今年5月美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(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(shù)旗艦項(xiàng)目。國(guó)際巨頭如谷歌、IBM、微軟也已介入量子計(jì)算的研究中。

　　但潘建偉表示，真正實(shí)現(xiàn)可編程的、通用量子計(jì)算機(jī)，可能需要30年甚至50年。潘建偉認(rèn)為，目前構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的、只能計(jì)算一種問題的量子模擬計(jì)算機(jī)(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(shí)現(xiàn)50量子位的量子模擬計(jì)算。

　　在可擴(kuò)展量子信息處理上，超冷原子量子調(diào)控成為研究熱點(diǎn)，通過將超冷原子裝到光晶格中，可方便地實(shí)現(xiàn)基于超冷原子量子調(diào)控的模擬量子計(jì)算。潘建偉團(tuán)隊(duì)近期已實(shí)現(xiàn)約600對(duì)超冷原子的糾纏態(tài)，向基于超冷原子的可擴(kuò)展量子計(jì)算和量子模擬邁出重要一步。

　　潘建偉說，在量子計(jì)算上，希望通過將近10年努力產(chǎn)生100對(duì)粒子的糾纏，在特定問題的求解上，實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力達(dá)到現(xiàn)有全球計(jì)算能力的百萬倍。