搶占量子科技發(fā)展制高點(diǎn)

文/海川

建立與地面城域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，初步實(shí)現(xiàn)能夠業(yè)務(wù)化運(yùn)行的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

2 月27日，“2017年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”在京發(fā)布，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星位居榜首；1月10日，中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、“墨子號(hào)”首席科學(xué)家潘建偉在第48屆量子電子物理學(xué)大會(huì)上，獲頒蘭姆獎(jiǎng)（Willis E. Lamb Award）；2017年12月19日，潘建偉入選《自然》雜志評(píng)選的“2017年度改變世界的十大科學(xué)人物”，被稱為“讓量子通信馳騁于天地之間的物理學(xué)家”。

《華爾街日?qǐng)?bào)》針對(duì)中國(guó)科技的高速發(fā)展給出了標(biāo)題為“沉寂了一千年，中國(guó)誓回發(fā)明創(chuàng)新之巔”的專題文章，將“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星作為中國(guó)創(chuàng)新能力提升的重要標(biāo)志。

全國(guó)政協(xié)委員、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉在全國(guó)兩會(huì)期間表示，他和團(tuán)隊(duì)正研發(fā)新一代衛(wèi)星量子通信技術(shù)，計(jì)劃5年內(nèi)研制并發(fā)展中高軌量子通信衛(wèi)星。中高軌量子通信衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)全天時(shí)星地量子通信及星間量子通信，建立與地面城域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，初步實(shí)現(xiàn)能夠業(yè)務(wù)化運(yùn)行的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

該團(tuán)隊(duì)另一工作重點(diǎn)是在地面構(gòu)建范圍更廣的光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)—“國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)”。他認(rèn)為通過(guò)10年左右，量子通信網(wǎng)絡(luò)將具備覆蓋千家萬(wàn)戶的條件。

為配合“十三五”規(guī)劃中明確提出的要在量子信息科技領(lǐng)域部署重大科技項(xiàng)目，該院成立了量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院，初步凝聚國(guó)內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢(shì)研究力量、開(kāi)展協(xié)同攻關(guān)，以保持和擴(kuò)大中國(guó)在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)領(lǐng)跑量子保密通信

2016年8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。

2017年1月18日，我國(guó)發(fā)射的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”圓滿完成了4個(gè)月的在軌測(cè)試任務(wù)，正式交付用戶單位使用。在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)、千公里級(jí)星地高速量子密鑰分發(fā)和千公里級(jí)地星量子隱形傳態(tài)。

2016年8月16日1時(shí)40分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功將世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射升空。在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)、千公里級(jí)星地高速量子密鑰分發(fā)和千公里級(jí)地星量子隱形傳態(tài)。

“墨子號(hào)”的主要應(yīng)用目標(biāo)是通過(guò)衛(wèi)星和地面站之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)星地量子保密通信，并通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的量子保密通信?！澳犹?hào)”可以在千公里外的外太空以10kbps的速率給地面站分發(fā)量子密鑰，比地面同距離光纖量子通信水平提高了15個(gè)數(shù)量級(jí)以上。該項(xiàng)技術(shù)突破不僅使得我國(guó)具備了對(duì)光纖無(wú)法覆蓋的地區(qū)—如我國(guó)的南海諸島、駐外使領(lǐng)館、遠(yuǎn)洋艦艇等—直接提供高安全等級(jí)量子通信保障的能力，并為我國(guó)未來(lái)構(gòu)建覆蓋全球的天地一體化量子保密通信網(wǎng)絡(luò)提供可靠的技術(shù)支撐。

“墨子號(hào)”的另一前沿研究目標(biāo)是在量子物理基本問(wèn)題檢驗(yàn)領(lǐng)域：即通過(guò)千公里量級(jí)的量子糾纏分發(fā)，首次在空間尺度檢驗(yàn)量子力學(xué)的非定域性，并利用量子糾纏在地面和衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。通過(guò)“墨子號(hào)”的星地糾纏分發(fā)，能夠在相距1200公里以上的兩個(gè)地面站之間以1對(duì)/秒的速度建立起量子糾纏，將使得人類首次具有在空間尺度開(kāi)展量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，并為未來(lái)在外太空開(kāi)展廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的檢驗(yàn)做好了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)準(zhǔn)備，成為我國(guó)在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域?qū)κ澜绲挠忠恢匾暙I(xiàn)。

“墨子號(hào)”成功發(fā)射后，極大激起了公眾對(duì)量子科技的濃厚興趣。包括英國(guó)《自然》雜志、美國(guó)《科學(xué)》雜志、《科學(xué)美國(guó)人》、英國(guó)《新科學(xué)家》《紐約時(shí)報(bào)》、英國(guó)廣播公司（BBC）等眾多國(guó)際知名學(xué)術(shù)和公共媒體都對(duì)“墨子號(hào)”進(jìn)行了專題報(bào)道，美國(guó)國(guó)家航天局（NASA）也在其官網(wǎng)上對(duì)“墨子號(hào)”發(fā)射任務(wù)給出了詳細(xì)的介紹。2016年底，“墨子號(hào)”等重大成果共同入選英國(guó)《自然》雜志點(diǎn)評(píng)的年度國(guó)際重大科學(xué)事件；“墨子號(hào)”作為唯一誕生于美國(guó)本土之外的創(chuàng)新技術(shù)入選《科學(xué)美國(guó)人》評(píng)選的2016年度“改變世界的十大創(chuàng)新技術(shù)”。

2017年世界首個(gè)遠(yuǎn)距離量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”正式開(kāi)通?！熬删€”連接北京、上海，貫穿濟(jì)南、合肥，全長(zhǎng)2000余公里，全線路密鑰率大于20kbps，滿足上萬(wàn)用戶的密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)需求，可為沿線金融機(jī)構(gòu)、政府部門(mén)等提供高安全等級(jí)的量子保密通信業(yè)務(wù)支持。結(jié)合“京滬干線”與“墨子號(hào)”的天地鏈路，中國(guó)和奧地利之間通過(guò)“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了距離達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實(shí)現(xiàn)了加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。

“實(shí)現(xiàn)信息安全傳輸，是人類幾千年來(lái)的夢(mèng)想，但經(jīng)驗(yàn)告訴我們，沒(méi)有好的加密技術(shù)，信息傳輸總是會(huì)被破解，信息安全每天都遭受著很大的威脅，但是量子通信在原理上可以提供一種不能破解、不能竊聽(tīng)的信息安全傳輸方式，在國(guó)防、政務(wù)、金融等方面，甚至我們每天的銀行轉(zhuǎn)款、個(gè)人隱私的保護(hù)等方面，都可以起到比較好的作用。”潘建偉說(shuō)。

我國(guó)科學(xué)家自主研制的量子通信裝備，已經(jīng)為60周年國(guó)慶閱兵、黨的“十八大”“十九大”、紀(jì)念抗戰(zhàn)勝利70周年閱兵等國(guó)家重要政治活動(dòng)提供了信息安全保障。中國(guó)銀監(jiān)會(huì)銀行業(yè)監(jiān)管信息報(bào)送、中國(guó)人民銀行人民幣跨境收付信息管理系統(tǒng)、中國(guó)工商銀行網(wǎng)上銀行數(shù)據(jù)異地災(zāi)備系統(tǒng)、阿里巴巴商業(yè)數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)?，用的都是量子保密通信技術(shù)。據(jù)了解，山東、安徽、陜西、山西等地都在積極推動(dòng)量子通信技術(shù)的應(yīng)用。

全球“量子霸權(quán)”爭(zhēng)奪戰(zhàn)

所謂“量子霸權(quán)”（quantum supremacy），是美國(guó)加州理工學(xué)院物理學(xué)家 John Preskill發(fā)明的新詞。通俗的解讀是：超級(jí)計(jì)算機(jī)目前的計(jì)算能力相當(dāng)于擁有5到20個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)，但當(dāng)量子芯片的量子位達(dá)到約49個(gè)以上時(shí)，量子計(jì)算機(jī)的能力會(huì)徹底地將超級(jí)計(jì)算機(jī)甩在身后。

美國(guó)斯坦福大學(xué)量子物理學(xué)家帕特里克·海登3月8日接受新華社記者采訪時(shí)提出了一個(gè)新穎觀點(diǎn)：“量子霸權(quán)是個(gè)模糊的里程碑?！焙５钦J(rèn)為，目前對(duì)量子霸權(quán)的界定并不足夠明確。首先，量子計(jì)算機(jī)中有一個(gè)特殊的種類是“量子模擬計(jì)算機(jī)”，它可以直接模擬一些系統(tǒng)的物理特性，已經(jīng)超出了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬相關(guān)系統(tǒng)的能力。雖然量子模擬計(jì)算機(jī)仍有一些缺點(diǎn)，難以實(shí)用，但海登還是認(rèn)為：“從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，這些系統(tǒng)可能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子霸權(quán)?！?/p>

第二，在計(jì)算能力上與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比較結(jié)果可能難以驗(yàn)證。海登說(shuō)：“谷歌的72量子比特處理器可能具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，以至于傳統(tǒng)方法無(wú)法模擬。也就是說(shuō)，這場(chǎng)實(shí)驗(yàn)給出的答案，在傳統(tǒng)機(jī)器上是無(wú)法驗(yàn)證的，所以我們很難確定谷歌的設(shè)備是否做得正確?！?/p>

海登指出，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)還需要量子處理器在讀出和邏輯運(yùn)算時(shí)的錯(cuò)誤率足夠低，一臺(tái)很快但錯(cuò)誤率很高的量子計(jì)算機(jī)，還不如傳統(tǒng)意義上的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

對(duì)于量子計(jì)算，潘建偉認(rèn)為，“舉個(gè)例子，如果我們能夠操縱100個(gè)粒子的話，它對(duì)某些特定問(wèn)題的求解方面，計(jì)算能力可以達(dá)到全世界計(jì)算能力總和的100萬(wàn)倍，是一個(gè)非常強(qiáng)大的計(jì)算工具，可以解決傳統(tǒng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)所解決不了的問(wèn)題，比如氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)以及物理材料的設(shè)計(jì)等?！?/p>

潘建偉表示，在國(guó)家的高度重視和大力支持下，我國(guó)在量子科技發(fā)展上形成了非常明顯的特色?！霸诹孔颖Ｃ芡ㄐ欧矫娴难芯浚覀?cè)趪?guó)際上是處于一個(gè)全面領(lǐng)先的地位，而量子計(jì)算也在國(guó)際學(xué)術(shù)界牢牢地占據(jù)了一席之地?！?/p>

2017年5月3日，中國(guó)科學(xué)院在上海發(fā)布了世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)誕生。這是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽(yáng)、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組攻關(guān)突破的成果。這次一共發(fā)布了兩個(gè)量子計(jì)算機(jī)的原型，一種基于超導(dǎo)，一種基于光學(xué)。

針對(duì)多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計(jì)算原型機(jī)，是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子模擬機(jī)，比國(guó)際同行類似的實(shí)驗(yàn)加快至少24000倍，5月2日，該研究成果以長(zhǎng)文的形式在線發(fā)表于《自然光子學(xué)》。

什么是量子計(jì)算機(jī)？曾有人打過(guò)一個(gè)比方：如果現(xiàn)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度是自行車(chē)，量子計(jì)算機(jī)的速度就好比飛機(jī)。使用億億次的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)求解一個(gè)億億億變量的方程組，所需時(shí)間為100年。而使用一臺(tái)萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)求解同一個(gè)方程組，僅需0.01秒。

在中國(guó)《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，量子計(jì)算機(jī)已被列入科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目。去年，中國(guó)曾宣布說(shuō)，要在合肥建設(shè)世界最大的量子計(jì)算研究中心，占地37公頃，投資高達(dá)760億元。它的目標(biāo)就是開(kāi)發(fā)出量子計(jì)算機(jī)，可以用于軍事領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)可以在數(shù)秒之內(nèi)破解密碼，讓潛水艇以隱形模式在水下航行3個(gè)月以上。

由于量子計(jì)算具有改變世界的巨大潛力，美國(guó)、歐盟等競(jìng)相加大對(duì)量子計(jì)算研究的投入，各研究機(jī)構(gòu)、科技巨頭、初創(chuàng)企業(yè)等爭(zhēng)相投身這場(chǎng)全球競(jìng)賽。此前業(yè)界有觀點(diǎn)認(rèn)為，2018年可能會(huì)有研究機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，不過(guò)目前還沒(méi)有任何一家機(jī)構(gòu)公開(kāi)宣稱已經(jīng)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。

去年10月，美國(guó)國(guó)會(huì)舉辦聽(tīng)證會(huì)，討論如何確?！懊绹?guó)在量子技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位”。IBM投入30億美元研發(fā)量子計(jì)算等下一代芯片，微軟公司與多所大學(xué)共建量子實(shí)驗(yàn)室。

歐盟從2018年開(kāi)始，投入10億歐元實(shí)施“量子旗艦”計(jì)劃。英國(guó)在牛津大學(xué)等高校建立量子研究中心，投入約2.5億美元培養(yǎng)人才。荷蘭向代爾夫特理工大學(xué)投資1.4億美元研究量子計(jì)算。

日本計(jì)劃10年內(nèi)在量子計(jì)算領(lǐng)域投資3.6億美元。加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學(xué)的量子研究。澳大利亞政府、銀行等出資8300萬(wàn)澳元在新南威爾士大學(xué)成立量子計(jì)算公司。

量子計(jì)算的領(lǐng)先者谷歌在2017年4月份宣布推出49量子位處理器。Google首席科學(xué)家John Martinis曾公開(kāi)表示：為率先登頂“量子霸權(quán)”，他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)正在利用49量子比特模擬系統(tǒng)攻克經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解出的難題。日前谷歌又發(fā)布72量子比特處理器“狐尾松”（Bristlecone），稱其有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。

IBM開(kāi)發(fā)出一臺(tái)50量子比特的量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)，有望在2021年前推出首個(gè)在金融領(lǐng)域的量子計(jì)算應(yīng)用。這無(wú)疑是對(duì)Google的“量子霸權(quán)”算法提出挑戰(zhàn)。另一方面，IBM至今未公布“量子計(jì)算原型機(jī)”的詳細(xì)性能和測(cè)試結(jié)果。

日本NTT公司研發(fā)出超高性能新型量子計(jì)算機(jī)，可瞬間解析復(fù)雜算法。英特爾推出17量子位的超導(dǎo)量子芯片，推動(dòng)量子計(jì)算邁入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

阿里巴巴子公司阿里云和中科院合作于2015年成立了“阿里巴巴量子實(shí)驗(yàn)室”，準(zhǔn)備在2025年之前開(kāi)始打造量子計(jì)算機(jī)。2017年10月11日，杭州·云棲大會(huì)期間，“達(dá)摩院”支持研發(fā)的量子技術(shù)領(lǐng)域迎來(lái)了首個(gè)重量級(jí)發(fā)布—“量子計(jì)算云平臺(tái)”上線。

2018年2月，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院與阿里云宣布，在超導(dǎo)量子計(jì)算方向發(fā)布11比特的云接入超導(dǎo)量子計(jì)算服務(wù)。據(jù)了解，這是繼IBM后全球第二家向公眾提供10比特以上量子計(jì)算云服務(wù)的系統(tǒng)。該服務(wù)已在量子計(jì)算云平臺(tái)上線，在云端實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典計(jì)算仿真環(huán)境與真實(shí)量子處理器的完整后端體驗(yàn)。通過(guò)量子計(jì)算云平臺(tái)，用戶可上傳測(cè)試運(yùn)行各種量子計(jì)算線路代碼，并下載相關(guān)運(yùn)行結(jié)果。

今年3月初，百度也宣布成立量子計(jì)算研究所，開(kāi)展量子計(jì)算軟件和信息技術(shù)應(yīng)用業(yè)務(wù)研究，悉尼科技大學(xué)量子軟件和信息中心創(chuàng)辦主任段潤(rùn)堯教授出任百度量子計(jì)算研究所所長(zhǎng)，直接向百度總裁張亞勤匯報(bào)。段潤(rùn)堯表示，將全力推動(dòng)“百度量子、量子百度”的研究規(guī)劃，計(jì)劃五年時(shí)間里在百度組建世界一流的量子計(jì)算研究所，并在之后五年將量子計(jì)算逐漸融入百度的業(yè)務(wù)中來(lái)。

“整個(gè)業(yè)界都在全速前進(jìn)，建造越來(lái)越復(fù)雜精密的系統(tǒng)，以找到能充分證實(shí)自己實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的方法?！焙５钦f(shuō)。在分析“狐尾松”處理器的特點(diǎn)時(shí)海登還說(shuō)：“拋開(kāi)量子霸權(quán)，谷歌72量子比特處理器非常適合演示量子糾錯(cuò)，非常適合演示如何將邏輯量子比特存儲(chǔ)在物理量子比特中，用一種強(qiáng)健的方式延長(zhǎng)它們的使用壽命。”

“量子糾錯(cuò)將是全功能量子計(jì)算系統(tǒng)一個(gè)至關(guān)重要的特征，”海登說(shuō)，如果在量子糾錯(cuò)方面取得突破，“意味著這種系統(tǒng)未來(lái)將可以在實(shí)踐中應(yīng)用，這與量子霸權(quán)一樣激動(dòng)人心！”

量子科技大事記

1982年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼提出“量子計(jì)算機(jī)”的概念。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專家彼得·秀爾證明量子計(jì)算機(jī)能夠完成對(duì)數(shù)運(yùn)算，且速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

1997年，科學(xué)家首次用一對(duì)糾纏光子實(shí)現(xiàn)了量子信息傳輸。

2005年，世界第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)在美國(guó)誕生，基本符合了量子力學(xué)的全部本質(zhì)特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

2007年，維也納大學(xué)的安東·齊林格和他的同事們用一對(duì)糾纏光子在加那利群島的兩個(gè)島之間傳輸了一份量子信息，傳送距離超過(guò)了143千米。

2010年1月，美國(guó)哈佛大學(xué)和澳洲昆士蘭大學(xué)的科學(xué)家利用量子計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確算出了氫分子所含的能量。

2010年3月，德國(guó)于利希研究中心發(fā)表公報(bào)：該中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)JUGENE成功模擬了42位的量子計(jì)算機(jī)。

2010年，中國(guó)科大—清華大學(xué)聯(lián)合小組成功實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，傳輸距離達(dá)16公里。

2012年3月，IBM做到了在減少基本運(yùn)算誤差的同時(shí)，保持量子比特的量子機(jī)械特性完整性。

2015年7月，中國(guó)科學(xué)院與阿里巴巴集團(tuán)旗下阿里云共同成立“中國(guó)科學(xué)院—阿里巴巴量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室”，開(kāi)展在量子信息科學(xué)領(lǐng)域的前瞻性研究。

2016年8月，我國(guó)自主研制的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功升空。

2017年9月29日，世界上首條量子保密通信干線—“京滬干線”正式開(kāi)通?！熬删€”與“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功對(duì)接，首次實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信。