各國踴躍發(fā)展量子科技 中國將邁量子通信第一步

8月中旬，如果氣象條件合適，中國將發(fā)射全球首顆“量子實驗衛(wèi)星”，邁出量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的第一步。

此后，中國還將陸續(xù)發(fā)射衛(wèi)星，建成全球第一個實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國家。今年下半年，京滬量子通信干道也將建成，屆時國內(nèi)將初步形成廣域量子通信體系。按照規(guī)劃，到2020年，中國將實現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)，屆時聯(lián)接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成。到2030年左右，中國將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

各國圍繞量子信息科學(xué)展開的科技競賽已經(jīng)打響，除中國外，美國、加拿大和新加坡等國也在積極部署該領(lǐng)域的研究。

“十三五”科創(chuàng)規(guī)劃提出建設(shè)量子通信和量子計算重點科技項目

量子力學(xué)描述的是在單個原子或次原子粒子尺度上，物質(zhì)與能量行為和相互的作用。人類能夠在大尺度上直觀地理解粒子的集體效應(yīng)，但量子行為則通常顯得奇異和反常。這些特殊的量子現(xiàn)象包括量子疊加 （系統(tǒng)同時包含所有的可能測量結(jié)果，一旦某個測量發(fā)生，則結(jié)果將為定值）和量子糾纏（多粒子的疊加態(tài)，它們的屬性相互關(guān)聯(lián)影響）。

量子的特性打破了人們對正常世界的理解。目前量子信息領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向：一是量子通信，二是量子計算。在量子通信領(lǐng)域，與其他許多先進(jìn)的前沿科技領(lǐng)域相比，中國已經(jīng)處在全球領(lǐng)先地位。

8月8日，國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）中，更是提到部署量子通信和量子計算的重點科技項目。《規(guī)劃》指出，面向2030年，再選擇一批體現(xiàn)國家戰(zhàn)略意圖的重大科技項目，力爭有所突破。從更長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略需求出發(fā)，堅持有所為、有所不為，力爭在航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)、深?？臻g站、量子通信與量子計算、腦科學(xué)與類腦研究等重點方向率先突破。

在量子通信和量子計算重大科技項目里，《規(guī)劃》稱，要研發(fā)城域、城際、自由空間量子通信技術(shù)，研制通用量子計算原型機(jī)和實用化量子模擬機(jī)。

量子實驗衛(wèi)星

今年46歲的浙江東陽人潘建偉，是國內(nèi)量子通信的領(lǐng)軍人物。2004年，潘建偉團(tuán)隊在國際上首次實現(xiàn)了五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸，這一成果被《自然》雜志發(fā)表，并同時入選英國物理學(xué)會和美國物理學(xué)會評選出的年度國際物理學(xué)重大進(jìn)展。

潘建偉的團(tuán)隊于2007年在國際上首次實現(xiàn)了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2008年實現(xiàn)了國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，2012年建成首個規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。

潘建偉還是此次量子實驗衛(wèi)星發(fā)射的主要負(fù)責(zé)人之一。據(jù)團(tuán)隊成員陸朝陽介紹，若首枚量子通信衛(wèi)星順利發(fā)射成功，中國將發(fā)射更多的衛(wèi)星。若要實現(xiàn)覆蓋全球的安全通信網(wǎng)絡(luò)，大約需要20顆衛(wèi)星。

左邊為陸朝陽，右邊為潘建偉

《Nature》報道稱，中國量子實驗衛(wèi)星的核心是一個能夠產(chǎn)生糾纏光子對的晶體，這些光子對無論相距多遠(yuǎn)，它們的屬性仍然保持糾纏。衛(wèi)星的首個任務(wù)是向北京和維也納的地面站發(fā)射這些糾纏光子對，使用它們生成密鑰。

這項任務(wù)為期兩年，團(tuán)隊還計劃在此期間執(zhí)行名為貝爾測試的統(tǒng)計測量，以證明相距1200公里的粒子之間存在糾纏。根據(jù)量子理論預(yù)測任何距離之間都存在糾纏，但需要貝爾測試實際驗證。此外，團(tuán)隊還將嘗試“隱形傳輸”量子態(tài)，通過使用糾纏光子對以及以更加常規(guī)方式傳輸?shù)男畔ⅲ谛碌奈恢弥貥?gòu)光子的量子態(tài)。

潘建偉說希望通過量子通信研究，從初步實現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò)，以保證信息傳輸?shù)慕^對安全；通過量子計算研究，為大規(guī)模計算難題提供解決方案，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等等。

“量子通信和量子計算都是屬于量子調(diào)控技術(shù)范圍?！迸私▊フf，“目前，全世界計算機(jī)的計算能力都非常弱?！?/p>

潘建偉預(yù)測，不到十年左右的時間，他們就能夠造出一種專用的量子計算機(jī)或者叫做量子模擬機(jī)，在某些計算能力上要比目前最快的傳統(tǒng)計算機(jī)快百億倍甚至更多。

各國備戰(zhàn)量子信息技術(shù)

除了中國在緊鑼密鼓地部署量子通信，尋求國際領(lǐng)先地位外，其他國家也在積極推進(jìn)量子信息科學(xué)的研究。

美國國家科學(xué)技術(shù)委員會（NSTC）在7月份，發(fā)布了《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》的報告。報告中，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會對量子信息科學(xué)的重要性，前瞻性進(jìn)行了闡述，還介紹了美國在量子信息科學(xué)的研究發(fā)展?fàn)顩r。該委員會認(rèn)為量子計算能有效推動化學(xué)、材料科學(xué)和粒子物理發(fā)展，未來可能最終會顛覆眾多科學(xué)領(lǐng)域，人工智能也當(dāng)屬其中之一。

美國政府隨即在官網(wǎng)發(fā)文，督促學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府盡快就量子信息科學(xué)（QIS）議題進(jìn)行交流，以保證量子信息研發(fā)的關(guān)鍵需求得到滿足。目前，美國科技公司谷歌、IBM等已經(jīng)在量子計算機(jī)領(lǐng)域有所投入。

歐洲國家也不甘自己在量子領(lǐng)域落后。今年4月份，歐盟委員會對外宣布，將斥資10億歐元投入量子技術(shù)，希望這個項目“將會讓歐洲處于第二次量子革命的前沿，未來10年在科學(xué)、產(chǎn)業(yè)和社會方面帶來變革性的進(jìn)展”。

加拿大也是量子領(lǐng)域不可忽視的力量。據(jù)《Nature》新聞雜志報道，加拿大的一直科研團(tuán)隊正提出在地面生成糾纏光子對，然后將其中部分發(fā)射至重量不到30公斤的微型衛(wèi)星上。這比在太空生成光子便宜，加拿大量子加密與科學(xué)衛(wèi)星（QEYSSat）團(tuán)隊成員，滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家Brendon Higgins說，但是將光子發(fā)送到運動的衛(wèi)星上將是一項挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊計劃首先在飛機(jī)上使用光子接收器測試該系統(tǒng)。

除此之外，新加坡國立大學(xué)和英國斯特拉斯克萊德大學(xué)合作，利用重量為5公斤的衛(wèi)星（也稱為立方體衛(wèi)星）開展量子實驗。去年，該團(tuán)隊發(fā)射了一顆立方體衛(wèi)星，在軌道中產(chǎn)生并測量“關(guān)聯(lián)”光子對；他們希望在明年發(fā)射可以產(chǎn)生完全糾纏光子對的裝備。

新加坡國立大學(xué)物理學(xué)家Alexander Ling在接受《Nature》的采訪時認(rèn)為，立方體衛(wèi)星單個耗費僅10萬美元，使太空量子通信易于實現(xiàn)。