中國科學(xué)院院士潘建偉詳解“量子稱霸”時間表

　　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”上，中國科學(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，催生了計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)在又為解決大數(shù)據(jù)時代計算能力不足、信息安全瓶頸做好了準(zhǔn)備，進(jìn)入了量子信息科學(xué)時代。

　　潘建偉在峰會上表示，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)下無法測量和無法精確復(fù)制)，可實現(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)，來實現(xiàn)安全的通信。“鑒于不可分割，竊聽者無法對光子進(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)送一個碼)。潘建偉介紹其團(tuán)隊通過誘騙態(tài)量子秘鑰分發(fā)、測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)境的耦合會使糾纏品質(zhì)下降、效率低下等挑戰(zhàn)，光纖中信號無法放大，即使采用最先進(jìn)的手段要實現(xiàn)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(tuán)隊采用可信中繼站和星地量子通信兩條路徑來實現(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，保證秘鑰的傳輸與安全，潘建偉團(tuán)隊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)隊通過實驗，驗證了微弱的量子態(tài)在穿越大氣層后是可有效保持的，且做到每秒可以傳送1萬個秘鑰，千公里距離量級損耗為40kbps，并于8月16日發(fā)射了星地量子衛(wèi)星墨子號。

　　“目前看來，星地量子傳輸是成熟、實用的技術(shù)，但我們希望最終在地面實現(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)隊正在進(jìn)行量子中繼的驗證。截至目前，其團(tuán)隊已實現(xiàn)500公里量級的量子中繼。

　　專用量子模擬計算機(jī)尚需10年努力

　　量子信息科學(xué)的另外一個重要應(yīng)用是量子計算，可實現(xiàn)計算能力的飛躍?；诹孔拥寞B加特性，量子計算機(jī)可實現(xiàn)并行的分布式量子信息處理，同時對2的N次方個數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，這相當(dāng)于經(jīng)典計算機(jī)重復(fù)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(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計算機(jī)需要100年左右計算時間，但用量子計算機(jī)大概需要0.01秒。

　　鑒于巨大的潛在應(yīng)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(xué)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(shù)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(xiàn)可編程的、通用量子計算機(jī)，可能需要30年甚至50年。潘建偉認(rèn)為，目前構(gòu)建一個簡單的、只能計算一種問題的量子模擬計算機(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，實現(xiàn)50量子位的量子模擬計算。

　　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，通過將超冷原子裝到光晶格中，可方便地實現(xiàn)基于超冷原子量子調(diào)控的模擬量子計算。潘建偉團(tuán)隊近期已實現(xiàn)約600對超冷原子的糾纏態(tài)，向基于超冷原子的可擴(kuò)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(chǎn)生100對粒子的糾纏，在特定問題的求解上，實現(xiàn)計算能力達(dá)到現(xiàn)有全球計算能力的百萬倍。