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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    量子通信 開創信息產業新紀元

                    2017-12-21 15:48:00

                      縱觀人類通信史,從最原始的結繩記事到語言文字的溝通交流,從近代遠程傳送信息的電報電話,到當前普遍流行的智能手機、網絡等,不斷發展的通信方式極大地縮短了人與人之間的距離,深刻改變了人們的生活方式和社交方式。信息傳輸也已從傳輸方式和手段的更新,進入了討論“如何保證傳輸安全”的新時代。

                      解惑:什么是量子通信技術

                      量子是構成物質的不可再分割的基本單元。量子世界的兩個基本原理是量子疊加和量子糾纏,前者是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上,如著名的“薛定諤的貓”理論所形象表述的:“一只貓可以既是活的又是死的”;后者是指兩個處于糾纏態的微觀粒子,不論分隔多遠,改變其中一個粒子的量子態,都會影響并改變另一個的狀態。

                      量子通信技術是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型通信方式,是結合了量子論和信息論的全新研究領域。量子通信的“量子糾纏”等特性,在理論上具有超強保密性、超大容量和超遠傳輸距離等特點,并能實現無法破譯的保密通信。

                      高效安全的信息傳輸日益受到人們關注,量子通信也已成為當前國際上的熱門研究課題之一。特別是近年來,量子通信已逐步從理論走向實用化、商業化和產業化。

                      通過近幾年的發展,我國已經逐步攻克了量子通信技術的一些難點,將量子通信理論從實驗室帶向實際應用,實現了多項世界矚目的科研成果轉化。比如于2016年開通的“滬杭干線”(浙江段),就是全球第一條量子保密通信商用干線,它的開通運營標志著量子通信產業化時代的到來,同時也拉開了量子通信產業市場化運營的大幕。未來的量子通信產業,必將給浙江的經濟和社會發展帶來巨大而深遠的影響。

                      回顧:量子通信走過的路

                      1984年,IBM兩位工程師提出了通過量子物理學的極端特性來確保秘密不被竊取的保密通信方案;1989年,IBM實驗室成功讓光子攜帶密鑰“走”了30厘米,證實了量子保密通信的可行性;1991年,英國科學家提出以量子糾纏態來發密文,奠定了量子通信技術的理論基礎;2006年,我國潘建偉科研團隊在世界上首次利用誘騙態方案實現了超過100千米的光纖量子密鑰分發;2008年,潘建偉團隊發明的量子中繼器被英國《自然》雜志贊譽為“清除了量子通信的一塊攔路石”。至此,各國科學家共同努力為量子通信的商業化和產業化發展鋪平了道路。

                      2016年,中國又在量子通信應用方面實現了多項突破,比如“墨子號”的升空、“滬杭干線”(浙江段)的開通,以及隨后“京滬干線”的開通。 其中“滬杭干線”將實現杭州和上海兩地間量子安全級別的語音電話、視頻電話、文件傳輸業務,而作為國家量子通信骨干網,總長2000多千米的“京滬干線”則可應用于軍事、金融、政務等多個領域的信息安全傳輸。

                      量子技術正催生量子通信產業鏈的千億市場,引發世界新一輪的通信技術研發競爭,而多個世界“第一”的實現,表明中國在量子技術應用領域已走在了世界前列。

                      縱覽:各國量子技術的應用與研究

                      IBM日前宣布,他們正在研發世界第一臺商業化通用量子計算機,預計未來5年內可通過云計算進行多種科學探索,并開發商業化應用的量子計算機程序。

                      傳統計算機通過晶體管的“開”與“關”兩種狀態,以0和1的組合來表示各種數據,而量子計算機的量子比特可同時模擬1和0,這意味著一個量子位可以執行多個計算,所以量子計算機解決某些問題的速度要比傳統計算機快得多。

                      從理論上說,擁有300個量子位的量子計算機瞬間執行計算的次數,比宇宙中所有原子的數量加在一起還要多,而IBM的目標則是構建一個基于超導電路的約50個量子位的系統。IBM稱,量子計算機最先可能應用于預測復雜分子的化學性質,其他可能的應用還包括發現新藥物和新材料、優化供應鏈、建立新型財務數據模型、評估風險因素做出最佳投資決策、提高人工智能的圖像和視頻搜索能力,以及增強云計算的安全性等。

                      另外,激光二極管發射的光子會載有量子加密數據,因此有可能會出現漏洞,而英國劍橋實驗室的研究人員,也已找到了通過“誘餌”光子及時監測并發現安全通信通道上竊聽行為的方法。

                      不久前,我國科學家又在基于光和超導體系的量子計算機研究方面取得重大突破:在光量子計算機研究中,建造了世界上超越早期經典計算機的光量子計算原型機;在超導量子計算機研究中,實現了世界上糾纏數目最多的超導量子比特處理器。這兩項成果分別發表于國際學術期刊《自然·光子學》和《物理評論快報》上。

                      借鑒:谷歌的量子技術商業化模式

                      不久前,谷歌量子人工智能實驗室的馬蘇特·穆赫辛尼等人撰文,討論了量子技術的商業化投資機遇及未來五年內的開發前景。穆赫辛尼等人在文章中重點介紹了三種可進行早期商業化推廣的量子計算技術:量子模擬、量子輔助優化和量子抽樣。

                      量子模擬是最令人期待的量子計算實際應用之一,如模擬化學反應和建立新材料開發模型等,研究人員可通過量子模擬對數以百萬計的候選方案進行研究,開發新材料并確定其性能。無論是制造飛機所需的更強的聚合物,使用于汽車上的更有效的催化轉換器,更高效的太陽能電池材料,還是療效更好的藥物或透氣性更好的織物,量子模擬更快的開發速度都將帶來巨大的商用價值。目前,發現新材料已是一個很大的產業,從定性描述到定量預測,量子技術都可完成一系列重要材料的模擬任務。

                      量子輔助優化則可有效解決物理學、社會科學和各個行業中所有涉及量化計算的核心優化任務。傳統計算機對所有可能解決方案進行測試的計算速度太慢,而通過量子計算和傳統計算機的組合,則可獲得更強大的解決方案,提高許多行業的產品質量和服務質量。比如,物流公司可優化調度、規劃和產品分配,醫院可提高醫療診斷的速度和準確性,企業可借助量子算法,以最有效的方式應對消費者需求和市場變化。

                      與傳統電路相比,理想的量子電路可在同樣時間內在更大的概率分布范圍內進行抽樣統計,因此可廣泛應用于統計和機器學習領域,其應用前景包括機器學習中的推理和模式識別,以促進學術界和產業界的實驗研究。

                      展望:量子通信產業化前景廣闊

                      量子通信產業化前景廣闊,充滿了無限的可能性?!皽几删€”(浙江段)的開通是我國構建量子通信大網的一個良好開端,隨著市場化的進展,2017年長三角地區會進一步推進量子通信產業的應用和普及,并極有可能出現真正的市場化產品。浙江省政府多次強調,要努力把浙江打造成量子通信研發和產業化的重要基地。未來量子產業化的發展將主要分成三個階段:第一階段,降低成本,為“量子+時代”的到來奠定基礎;第二階段,在全國組建一個私密而安全的量子通信網絡;第三階段,量子通信將真正為互聯網行業和支付領域帶來巨大變化,我們將迎來一個更加安全和諧的“量子+時代”。

                      量子通信產業鏈主要包含元器件、通訊設備、量子通信網絡運營及專網應用服務四個環節,任何一個環節都充滿商機。事實上,量子通信“永不被解密”的安全傳輸方式,已在市場上得到了產業化應用,我國多家銀行已率先試用了量子通信加密技術。從理論上講,通過設備產生量子密鑰,再對數據進行加密傳輸,是絕對安全的。

                      目前,我國的量子通信將率先應用于政府、軍隊和金融機構的數據傳輸和存儲的專網通信中,未來還將逐漸擴展到公網和云安全等領域。事實上,量子通信技術已經滲透進了我們日常生活的各個方面,目前普遍使用的計算機、智能手機、互聯網、時間標準和導航等,無一不是得益于量子通信技術。未來十幾年內,量子通信技術將“飛入尋常百姓家”,屆時,我們的各類網上私人信息將更加安全,形形色色的泄密事件再難發生。

                      潘建偉院士曾說:“希望在未來10~20年內,在我國構建一個天地一體的全球化量子通信網絡,形成一個完整的產業鏈?!彪S著產業化的逐步成熟和成本的下降,量子通信必將走進千家萬戶,我們很快就會迎來量子通信技術飛速發展的新時代。不久,相關技術的轉化應用就將帶領人類社會進入一個擁有更高工作效率、更安全信息傳遞途徑,以及更便捷、更綠色環保生活方式的新時代。

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