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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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                    領跑世界的中國量子信息科學

                    2018-01-22 13:25:00

                      2016年1月8日,潘建偉院士及其團隊無疑成為中國科學界最閃耀的明星。這一天,由潘建偉、彭承志、陳宇翱、陸朝陽、陳增兵組成的中國科學技術大學多光子糾纏及干涉度量研究團隊,獲得2015年度國家自然科學一等獎。他們憑借在多光子糾纏及干涉度量上的重要研究和發現取得了量子通信、量子計算等領域的系統性關鍵突破。

                      目前,世界各國和地區的相關科學家在抓緊傳統計算機領域你追我趕的同時,都早已把目光轉向量子力學與現代信息科學“雙劍合璧”的全新領域,力圖首先制造出運算速度和性能都不可思議的量子計算機,搶先開啟本國的“量子時代”。對這個在量子科學研究領域屹立于世界領先位置的潘建偉團隊來說,他們的獲獎實至名歸。

                      不可思議的量子信息科學

                      在當今信息技術中,量子力學僅僅用來研究半導體和激光的物理性質,信息的傳輸和處理還只屬于經典物理學,而直接利用量子力學來運輸和處理信息,則是植根于量子物理學的新一代信息科技,它將引領下一次信息革命,把人類帶到信息時代的頂峰。

                      量子信息的基本單元為“量子比特”。經典比特是固定的0或1,而量子比特可以同時表示0和1這兩個數值,即量子力學中的疊加態。量子信息科技通過對光子、原子等微觀粒子進行精確的人工操縱方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和調制,在提高運算速度和確保信息安全等方面都突破了經典信息技術的瓶頸。

                      量子信息科技主要包括量子通信、量子計算等研究方向,這已經成為物理學和信息科學最活躍的研究前沿之一。中國科學技術大學在量子信息科技研究上具有一定的優勢,其中在量子通信領域更是世界領先。

                      量子通信可分為量子保密通信和量子比特傳輸兩個研究方向。其中量子保密通信是以量子密鑰分發技術為核心,結合數字通信和對稱密碼技術實現的新型保密通信技術。

                      量子密鑰分發技術利用了著名的BB84協議,該協議以“量子態不可精確克隆”的性質為基礎,通過單光子的量子態建立量子密鑰。密鑰具有不可復制性,能夠從根本上排除竊聽,因此量子保密通信是迄今唯一被嚴格證明是“無條件安全”的通信方式,可以從根本上解決政務、國防、金融、商業等領域的信息安全問題。

                      量子比特傳輸則是利用量子糾纏來傳輸量子比特,可分為量子糾纏分發和量子隱形傳態兩個階段。量子糾纏是指粒子在由兩個或兩個以上的粒子組成的系統中相互影響的現象,這種影響不受距離的限制,即使兩個粒子分隔在直徑達10萬光年的銀河系兩端,一個粒子的變化仍會瞬間影響另外一個粒子。量子糾纏分發不但可以驗證量子力學的非域性,還可以在此基礎上傳輸任意量子比特(即實現量子隱形傳態),為未來量子計算機之間的通信建立基礎。發展量子通信的終極目標是構建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網絡體系。通過光纖實現城域量子通信網絡連接一個中等城市內部的通信節點,通過量子中繼實現鄰近兩個城市之間的連接,通過衛星與地面站之間的自由空間光子傳輸和衛星平臺中轉實現兩個遙遠區域之間的連接,是實現全球范圍量子通信最理想的路線圖。

                      量子計算具有超快的并行計算能力,會突破摩爾定律的限制,可為密碼分析、氣象預報、礦產勘探和藥物設計,以及網絡大數據等大量信息處理提供解決方案,它是量子信息研究的重中之重。量子模擬可揭示高溫超導、慣性約束核聚變等系統復雜的物理機制,為先進材料制造和新能源開發奠定科學基礎。

                      量子計算通過量子比特的量子疊加態可以同時運算多個數值,即真正意義上的“平行計算”,效率遠高于傳統計算機。量子計算的一個重要應用就是“舒爾算法”,該算法在大數分解的計算中相比傳統算法具有革命性的優勢。目前很多加密算法(例如RSA加密)的安全基礎就在于無法利用普通計算機在有限的時間內對于一個大數進行分解,而量子計算機卻不在話下,它將使目前的加密系統都不堪一擊。另一個量子計算機的重要應用是“Grover 搜索算法”,即通過量子計算的并行能力,同時給整個數據庫做變換,用最快的驟搜索到需要的數據。Grover搜索算法遠遠超出了經典計算機的數據搜索速度,將對未來互聯網的搜索引擎產生巨大影響。

                      鑒于量子信息科技的重要意義,我國政府高度重視該領域的發展。在國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》中就將“量子調控研究”列入科技部6項“重大科學研究計劃”之一。此外,在國務院最新正式印發的《“十三五”國家科技創新規劃》中列舉的面向2030年的15個重大科技項目中,“量子通信和量子計算”也成為最先開展的4個重大專項之一。

                      我國量子通信領跑世界

                      量子通信是量子信息領域中最先實現實用化和產業化的研究方向。而中國科學技術大學在這個方向上一直走在世界的最前沿。

                      在量子通信城域網絡方面,中科大于2007年首次使光纖量子通信的安全距離突破 100 千米。繼而在2008年,我國實現了國際上首個全通型量子通信網絡,并利用上述成果為“2009年國慶60周年大閱兵”關鍵節點間構建了“量子通信熱線”,為重要信息的安全傳送提供了保障。

                      2009年,中科大又在世界上率先將采用誘騙態方案的量子通信距離突破至200千米。同年,中科大在安徽省蕪湖市建設了國際上首個量子政務網。

                      2012年,在安徽省政府和合肥市政府的大力支持下,以中科大的技術成果為支撐,合肥市建成了世界上首個規?;?6個節點)的量子通信網絡,標志著大容量的城域量子通信網絡技術已經成熟。同年,中科大研制的最新型量子通信裝備又在北京投入常態運行,為“十八大”等國家重要政治活動提供信息安全保障。

                      2013年底,在山東省政府的支持下,以中科大的技術成果為支撐建成的56節點的“濟南量子通信試驗網”投入使用,并實現了長時間穩定運行。這代表著我國的量子通信網絡技術在實用化方面已達到了國際領先水平。同年,中科大又在核心量子通信器件研究上取得重要突破,成功開發了國際上迄今最先進的室溫通信波段單光子探測器,并利用該探測器在國際上首次實現了與測量器件無關的量子通信,成功解決了現實環境中單光子探測系統易被黑客攻擊的安全隱患問題,大大提高了現實環境中量子通信系統的安全性。

                      2013年,國家批準立項的量子保密通信“京滬干線”由中科大承建,2016年年底全線貫通。該干線連接北京與上海,全長2000余千米,是世界首條量子保密通信主干網。

                      2017年1月以來,研究人員對“京滬干線”進行了各分系統的應用測試和720小時長時間穩定性測試,測試結果表明系統的各項技術性能指標均達到設計要求。2017年9月,“京滬干線”通過技術驗收,已具備開通條件。

                      在量子比特傳輸領域,早在1997年,潘建偉和同事們在奧地利就通過實驗實現了國際上首次量子態隱形傳輸,成果入選美國《科學》雜志“年度十大科技進展”,并被英國《自然》雜志選為“百年物理學21篇經典論文”?;氐街锌拼蠛?,潘建偉團隊在2005年就實現了距離達13千米的自由空間量子糾纏分發和量子通信,在國際上首次證明糾纏光子在穿透等效于整個大氣層厚度的地面大氣后,糾纏仍然能夠保持,并可應用于高效、安全的量子通信,為后續自由空間量子通信實驗奠定了基礎。

                      2010年,潘建偉團隊又實現了當時國際上距離最遠的(16千米)自由空間量子態隱形傳輸。2012-2013年間,潘建偉團隊實現了百千米自由空間量子態隱形傳輸和糾纏分發,并實現了星地量子通信可行性的全方位地面驗證。這些研究工作通過地基實驗堅實地證明了,基于衛星的全球量子通信網絡和開展空間尺度量子力學基礎檢驗是可行的。

                      2017年7月,潘建偉團隊在國際上首次成功地實現了白天遠距離(53千米)自由空間量子密鑰分發,通地基實驗在信道損耗和噪聲水平方面有效驗證了未來構建基于量子星座的星地、星間量子通信網絡的可行性。

                      在量子中繼研究方面,2003年,潘建偉團隊在國際上首次通過實驗實現了普適的量子糾纏純化。

                      2008年,潘建偉團隊利用冷原子量子存儲首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換,完美演示了量子中繼器。2012年,潘建偉團隊實現了國際上綜合性能最優的長壽命、高讀出效率的量子存儲。

                      2012年至今,潘建偉團隊承擔了“量子科學實驗衛星”空間先導專項,這顆名為“墨子號”的衛星已于2016年8月成功發射。衛星的目標是在世界上首次實現星地間的量子保密通信和量子比特傳輸。

                      可見,量子通信已經成為我國為數不多的具有世界領先水平的尖端技術。2012年年底,英國《自然》雜志在評選“年度十大科技亮點”時專門報道了中國科學技術大學在量子通信領域的研究成果,并指出:“在量子通信領域,中國用了不到十年的時間,由一個不起眼的國家發展成為現在的世界勁旅……”2015年年底,潘建偉團隊的“光子多自由度隱形傳態”實驗被英國《物理世界》雜志評選為當年的“世界物理學十大進展”中的第一名。

                      令人期待的我國量子計算研究

                      在量子計算研究領域,中科大潘建偉團隊一直在量子計算的核心資源“多粒子糾纏”的制備與操縱上處于國際領先地位。該團隊始終保持著糾纏光子數目的世界紀錄,并利用多光子糾纏在國際上率先實現了Shor算法、Grover算法、求解線性方程組算法等一系列重要量子算法的演示,并于2012年實現了拓撲量子糾錯的實驗演示,極大地提升了實現可擴展量子計算的可行性。

                      2015年,該團隊和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子計算聯合實驗室”,在保持光量子計算世界領先地位的同時,將大力推動我國量子計算整體研究水平。

                      量子保密通信在可預見的未來將成為信息安全的重中之重,為我國互聯網的信息安全保駕護航。而量子計算和量子比特傳輸將催生下一次信息革命,在未來構建出計算速度更快、信息傳輸更安全的全量子互聯網,并在基于量子計算的人工智能上取得質的飛躍,徹底改變人類的生活。

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