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中國的量子科技現狀:通信領先,計算和測量有待追趕

摘要:真正有技術含量的量子科技應該是怎么樣的?目前量子科技主流的研究方向,是量子力學和信息科學的交叉學科——量子信息。

  ICC訊 對大眾來說,“量子”已經不是一個陌生的詞,但一些商家的誤導和過度宣傳,讓這個詞變得不那么純粹?!坝鍪虏粵Q,量子力學”這句調侃的話,道出了這個領域的尷尬境地。

  真正有技術含量的量子科技應該是怎么樣的?目前量子科技主流的研究方向,是量子力學和信息科學的交叉學科——量子信息。

  實際上,以量子信息為代表的量子科技,正在推動著第二次量子革命。第一次量子革命主要是利用微觀粒子系統的物理規律,誕生了半導體、激光和核能等新技術領域。而第二次量子革命,則是通過直接觀測和操控微觀粒子系統,對量子信息進行運用。

  和信息技術包含信息獲取、處理和傳遞三個部分類似,對量子信息的運用,可細分為量子測量、量子計算和量子通信。這其中,量子通信和量子計算最受關注,但量子測量同樣具有極大的發展潛力和市場前景。那么,在這三個領域中,中國目前處于什么樣位置?

  圖片來自于銳觀咨詢在量子通信領域處于領先地位

  所謂量子通信,即利用微觀粒子的特性,對傳輸的信息進行加密。值得注意的是,這里所說的“量子通信”本質上是一種新的加密手段,而信息的傳輸方式仍是常規手段(如光纖)。

  中國科學技術大學教授陳宇翱介紹,建立量子保密通信的終極目標,就是建立覆蓋全國乃至全球范圍的量子保密通信網絡。目前世界上比較公認的路線圖是:先利用光纖在城市內構建一個網絡,然后利用中繼連接城市。在超遠距離,通過衛星的中轉實現遠距離的量子通信。

  中國已經率先走完了整個路線圖。中國科學技術大學教授陸朝陽表示,在量子通信領域,“我國是全面領先于歐洲和美國的”。

  專利數量體現了這一優勢。據中國信息通信研究院統計,中國最近幾年申請量子通信相關的專利相當多,高于美國和日本。由于早期中國專利申請量較少,所以目前中國專利授權量少于美國,但未來會繼續上升。

  專利之外,中國實實在在地在量子通信領域取得不少突破??破罩袊黄恼聦懙?,在很長時間內,量子通信的安全傳輸距離,只有 10 公里量級,因此學術界曾經認為量子密碼學基本已經到頭了,沒有太大前途。2003 至 2005 年期間,韓國和中國科學家提出了一種新的協議,使得安全傳輸距離可以提高到百公里的量級。從此之后,量子通信蓬勃發展,而中國獲得了領先地位,大部分的新紀錄都是中國科學技術大學的研究團隊創造的。

  說到中國科學技術大學,肯定繞不開潘建偉團隊。早在 2003 年,該團隊就提出,利用衛星實現星地間量子通信、構建覆蓋全球量子保密通信網的方案。這方案于 2011 年底正式立項,并在 2016 年 8 月 16 日走出里程碑式的一步:中國發射了世界上第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”。

  基于“墨子號”衛星,潘建偉團隊在 2017 年 8 月完成了三大科學實驗任務,比預想提前了一年多。這標志著中國率先掌握了星地一體廣域量子通信網絡技術。

  2017 年 9 月 29 日,中國開通了世界首條量子保密通信干線“京滬干線”。這條量子通信保密干線全長 2000 多公里,連接了北京和上海,貫穿濟南和合肥,共有 32 個量子通信節點。

  雖然量子加密的方式不可破解,但通信節點卻是可以被攻破的。曾經有過論文提出,通過攻擊節點的信源端來盜竊量子密碼。簡而言之,就是用物理手段來攻擊量子通信所需的設備,而非數學意義上的破解密碼。也就是說,“京滬干線”在工程層面上,其實是有理論上漏洞的。當然,這種漏洞也可以通過工程手段來解決,比如加強設備安全性。

  事實上,利用“墨子號”進行量子通信,也有安全隱患?;诔R巶鬏敺绞竭M行信息傳輸,“墨子號” 衛星掌握著用戶分發的全部密鑰,倘若衛星被他方控制,就存在信息泄漏的風險。不過,潘建偉及其團隊于 2020 年 6 月發表在《自然》雜志上的一項成果解決了這個問題。

  該團隊利用量子糾纏的特性,只在地面站用戶端對量子進行測量,糾纏源(衛星)不掌握密鑰任何信息,即使衛星被他方劫持了,密鑰也不會泄漏。在該論文之前,基于衛星糾纏的分發,效率低下、錯誤率高,不足以支持量子密鑰分發。該團隊通過對地面站望遠鏡進行特殊設計,升級主光學和后光路,解決了衛星糾纏分發效率低的問題。

  最終,他們借助 “墨子號”,在相隔 1120 公里的兩個地面站之間,成功實現基于糾纏的量子密鑰分發。即使在衛星被他方控制的極端情況下,通過物理原理依然能實現安全量子通信?!蹲匀弧冯s志審稿人對這一成果的評價是:“這是構建全球化量子密鑰分發網絡、甚至量子互聯網的重要一步?!?

  不管怎么說,有了“京滬干線”和“墨子號”,意味著中國初步構建了天地一體化的廣域量子通信網絡基礎設施。在此基礎上,中國得以推動量子通信技術的產業化應用。

  就“京滬干線”而言,已經被用于金融、政府和國防等領域的加密數據傳輸。一些互聯網企業,也可通過阿里云使用云上量子通信加密服務?!澳犹枴钡漠a業化難度相對較高,過去配合“墨子號”使用的量子衛星地面站,體積龐大,重達十幾噸,難以產業化應用。

  2019 年 12 月 30 日,中國自主研發的首個小型化可移動量子衛星地面站(重量僅 80 多公斤),與“墨子號”對接成功,實現了量子技術產品化的突破,中國量子通信有望進入產業化的時代。

  在建設“墨子號”和“京滬干線”項目過程中,潘建偉團隊通過成果轉化培育了一家商業公司——國盾量子。2017 年起,美國將量子通信相關的關鍵技術、產品和器件列入出口管制名單,國盾量子希望靠自主研發,保障項目關鍵元器件的供應。

  2020 年 7 月,國盾量子作為 A 股“量子通信第一股”上市,當天收盤價較發行價上漲 10 倍,足見中國資本市場對量子通信技術的追捧。不過,整體而言量子通信依然是一種新技術,現階段還處于產品推廣期。

  在量子計算和量子測量領域,仍待追趕

  量子計算是指利用量子力學原理來處理信息,相應的計算機被稱之為量子計算機。1981 年,美國物理學家查德費曼提出,原則上,人們可以設計一種計算機,該計算機通過量子力學特性來工作。經典計算機的信息單位是比特,而量子計算機基于量子比特。

  經過幾十年的發展,研究者們已經搭建起整個量子計算的理論體系。目前研究的重點,是把理論研究進行產業化。據中國科學技術大學博士、本源量子副總裁張輝介紹,從量子計算角度看,中國和美國至少還有 4~5 年的差距。

  據中國信息通信研究院統計,在專利層面,美國不管是申請量還是授權量,都穩居前列。中國專利申請量在 2018 年超過了美國,但授權量與美國仍有不少差距。

  一些關鍵成果都是美國企業率先做出了突破。2019 年初,IBM 推出了 20 個比特的量子計算原型機,并且已經開始售賣。2019 年 10 月,《Nature》雜志刊登了 Google 關于“實現量子優越性”的論文。Google 制造出了 53 個量子比特數的量子計算機,同樣的計算量,量子計算機用 200 秒就完成了,而目前最強的經典超級計算機,要花費 10000 年才能完成。

  目前,中國的學界和業界正努力縮短和美國的差距。在學界,浙江大學和中國科學院組成的團隊,于 2019 年 8 月研發出了一枚具有 20 個量子比特的量子芯片,并且成功操控其實現全局糾纏,刷新了世界紀錄。此前,固態量子器件中生成糾纏態的量子比特,最多是 12 個。

  在業界,大公司如騰訊、阿里巴巴、百度和華為,創業公司如本源量子,都在量子計算上有所建樹。其中,阿里巴巴在 2017 年 5 月宣布,造出了第一臺光量子計算機。2018 年 5 月,阿里巴巴達摩院量子實驗室,研制出了全球最強量子點路模擬器“太章”。而本源量子在 2020 年 9 月 12 日,上線了中國首個接入實體量子計算機的量子計算云平臺。被接入的量子計算機叫“悟源”,除了外層制冷機由國外供應商提供外,其他部件都是本源量子自主研發,或由國內廠商制造。

  這臺量子計算機只能提供 6 個量子比特,對標的是 IBM 在 2017 年在云端發布的 5 比特量子計算機。目前,IBM 在云平臺上提供了 50 個量子比特的計算系統。

  量子通信和量子計算之外,量子信息學科還有另外一個重要方向——量子測量。經典測量方法受限于種種因素,測量精度提升面臨瓶頸。而量子測量通過利用量子體系(如原子和光子)的量子特性或現象,如疊加態、糾纏態、相干等,可以突破經典力學框架下的測量極限,實現更高精度的測量,比如中國的北斗導航系統利用量子測量技術,把定位精度提高到非常高的程度。

  如上文所說,量子通信和量子計算在輿論場有較高聲量,而量子測量的公眾認知度相對較小,但普通人首先能用上的量子科技,或許就是量子測量相關成果。

  據中國信息通信研究院統計,與量子通信和量子計算相比,量子測量領域的專利申請和研究論文總量偏少,但近年來呈現增長趨勢。從地域上看,美、中、日的專利申請量較多,且中國在 2018 年趕超了美國,但綜合實力仍不及美國。

  中國的研究多集中在高校和科研機構,如北京航空航天大學、中國科學技術大學以及中國航天科工三院 33 所,其中中國科學技術大學剛剛取得一項重要科研進展。

  據新華社 2020 年 10 月 20 日報道,潘建偉、陸朝陽等人與美國普林斯頓大學等機構的學者合作,在同時具備高純度、高效率的單光子源器件上觀察到強度壓縮,為實現基于單光子源的量子精密測量奠定了基礎。

  總的來說,以量子信息為代表的第二次量子革命中,中國處于競爭的第一梯隊。在量子通信領域,中國領先于世界。而在量子計算和量子測量領域,中國仍需追趕。

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