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量子计算正从“玩具”变成“工具”

来源:科技日报2021-01-04 09:33

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  光量子干涉实物图 受访者供图

  潘建伟

  中国科学院院士、中国科学技术大学教授

  量子通信未来的发展,一方面需要扩大量子通信网络的有效覆盖范围,包括实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接、实现可支持千公里量级的量子中继、发展下一代可全天时工作的量子卫星网络等;另一方面,需要在工程化集成与验证的实践中推动核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和规模化的应用示范。

  30多年前,在科学家们对量子叠加、量子纠缠等量子力学基本问题的研究过程中,精细的量子调控技术逐渐发展起来,使得人类从对量子规律的被动观测跨越到对量子状态的主动精确操纵,由此我们现在所说的“量子科技”便诞生了。

  量子科技是融合量子调控和信息技术而产生的新兴学科。在这一领域,我国已经取得了一系列重要科学问题和关键核心技术突破,并在部分方向实现国际领先。我国量子科技将如何深化发展,自主创新科技体系将如何构建,从基础研究到实用化、工程化的转化之路将如何实现引领性突破?科技日报记者对中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟进行了专访,请他谈谈对量子科技发展的思考。

  不会取代现有通信方式 量子通信将大幅提升信息安全水平

  科技日报记者:在“墨子号”量子科学实验卫星发射升空后,我国科学家已经利用它取得了一系列研究成果,并成功将量子通信发展到了实用阶段,这是否意味着,一种颠覆传统的通信方式即将诞生?

  潘建伟:尽管量子通信是一个新兴领域,但它并不是要取代现有的通信方式,恰恰相反,它将以一种新的途径来大幅提高现有信息系统的安全性。

  现代信息安全体系的核心要素是密钥,只要确保密钥安全,就可以保证加密信息的安全。在传统保密通信中,至今还没有能严格证明其安全性的方法。

  但量子保密通信却可以在已有公开信道中,通过量子密钥分发实时产生密钥并安全便捷地分配到用户,使得在量子密钥的传输过程中,如果信息被窃听,窃听者无法做到不留下痕迹。而且这一点是绝对的,是由量子力学基本原理所保证的。

  换句话说,量子保密通信是在传统通信中使用量子密钥以提升安全性,而非一种完全颠覆传统的通信方式。

  科技日报记者:目前,我国已通过“墨子号”和“京沪干线”的实验,构建了首个天地一体化的量子通信网络雏形,我国量子通信也已经处于国际领先水平。那么,为持续保持引领地位,我国还需要在哪些方面着力?

  潘建伟:量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。首先通过光纤实现城域量子通信网络,进而通过中继器实现邻近两个城市之间的连接,最终通过卫星平台中转来实现遥远区域之间的连接,这是广域量子通信网络的发展路线。

  按照这一路线,量子通信未来的发展,一方面需要扩大量子通信网络的有效覆盖范围,包括实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接、实现可支持千公里量级的量子中继、发展下一代可全天时工作的量子卫星网络等;另一方面,需要在工程化集成与验证的实践中推动核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和规模化的应用示范。

  有3个里程碑发展阶段 通用量子计算机诞生或还需20年

  科技日报记者:除量子通信外,量子计算也得到了极高的关注,国内外均有企业声称已进入到量子计算领域,但同时也有观点认为量子计算还很遥远。对此您怎么看?

  潘建伟:量子计算研究是一个高度复杂的工作,对于学术界而言,还是要循序渐进,实现一个个阶段性的目标。国际学术界公认的量子计算发展有几个里程碑阶段——

  第一个里程碑是实现量子计算优越性,即量子计算机对特定问题的计算能力超越超级计算机,这需要相干操纵约50个量子比特。2019年谷歌实现的量子计算原型机“悬铃木”就包含53个超导量子比特,在求解随机线路采样问题上超越了超级计算机,也就是成功实现了量子计算优越性。但是,求解随机线路采样目前看来还没有现实意义,现在的量子计算原型机更像是一个“玩具”,只能在玩某一个游戏方面击败经典计算机,它的重要意义在于,证明了量子计算机是可以超越经典计算机的。

  第二个里程碑是实现专用量子模拟机,即相干操纵数百个量子比特,用于解决若干超级计算机无法胜任的实用问题,例如量子化学、新材料设计、优化算法等。到这个时候,量子计算机才真正开始有用,变成一个“工具”。我们希望能够在5—10年内实现这样的量子模拟机,这是当前的主要研究任务。

  第三个里程碑是实现可编程的通用量子计算机,即相干操纵至少数百万个量子比特,同时将量子比特的操纵精度提高到超越容错阈值(>99.9%),能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。到了这一阶段,量子计算机可能就和我们现在观念中的计算机差不多了,可以用来快速解决很多问题。不过,由于技术上的巨大挑战,何时实现通用量子计算机尚不明确,学术界一般认为还需要20年甚至更长的时间。

  科技日报记者:前不久,您的团队构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,据媒体报道,其可以在1分钟内实现超级计算机1亿年才能完成的任务。您认为,我国的量子计算正处于什么阶段?

  潘建伟:根据现有的最优经典算法,“九章”处理高斯玻色取样问题的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快100万亿倍,标志着我国也成功达到了量子计算优越性的里程碑,且“九章”的等效速度比谷歌的“悬铃木”快100亿倍左右。

  除了“九章”代表的光量子体系,超冷原子和超导线路也是公认最有可能率先实现大规模量子比特相干操控的物理体系。在超导量子计算方面,我国近期也有望实现超越谷歌的“量子计算优越性”。在超冷原子体系中,我国在规模化原子纠缠的制备与操纵,对自旋轨道耦合、超冷分子反应等的量子模拟方面取得了系列重要成果,这为实现超冷原子体系的专用量子模拟机奠定了基础。

  离子、硅基量子点等物理体系同样具有多比特扩展和容错性的潜力,也是目前国际量子计算研究的热点方向。在这些体系的量子计算基本要素方面,我国积累了大量关键技术,与国际主要研究力量处于并跑水平。

  此外,由于拓扑量子计算在容错能力上的优越性,利用拓扑体系实现通用量子计算机是面向长远的重要研究目标,目前国内外均在为实现单个拓扑量子比特而努力,这将是一项“从0到1”的突破。

  调控技术迅速发展 精密测量已经进入量子时代

  科技日报记者:除上述两大领域外,量子精密测量也是量子科技非常重要的细分领域,相比而言,公众可能对它比较陌生。能否请您介绍一下,量子技术对精密测量的意义?

  潘建伟:量子状态对环境高度敏感,其实就是一个非常灵敏的传感器。同时,物理量的量子化也提供了一个非常精确的基准,比如光子是光能量的最小单元,在一定频率下,一个光子的能量就是固定值,那么如果我们能够一个个地“数”光子的话,基本物理量中的发光强度就可以用光子数来定义,精度和稳定性都会大幅提升。这里“数”光子其实就是指量子调控的能力。

  正是鉴于量子调控与量子信息技术的快速发展,2018年第26届国际计量大会通过了量子化方法定义国际单位制的重大决议。事实上,时间、位置、加速度、电磁场等很多物理量,都可以利用量子技术实现超越经典技术极限的精密测量。

  科技日报记者:量子精密测量包括了哪些应用领域?

  潘建伟:量子精密测量的主要应用包括高精度光频标与时间频率传递、量子陀螺仪、原子重力仪等量子导航技术,以及量子雷达、痕量原子示踪、弱磁场探测等量子灵敏探测技术等。这些技术将在惯性导航、下一代时间基准、隐身目标识别、全球地形测绘、医学检验等广泛领域发挥重要作用。

  我国量子精密测量领域的研究整体上相比发达国家还存在一定差距,但这个差距近年来正在迅速缩小,并且在部分方向上已经与公开报道的国际最高水平相当。

  (更多内容请关注《前沿科学》量子科技专辑)(毕文婷)

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