文 俞靈琦

量子通信、量子傳感、量子計(jì)算等新興科技的蓬勃發(fā)展，將對(duì)世界產(chǎn)生巨大影響。

如今，量子技術(shù)是世界各國(guó)量子競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。隨著量子信息學(xué)等交叉科學(xué)的飛速發(fā)展，“第二次量子革命”悄然來臨。

那么，承載量子技術(shù)精粹的“量子互聯(lián)網(wǎng)”離我們還遠(yuǎn)嗎？

被視為“決定未來的技術(shù)”

何為量子互聯(lián)網(wǎng)？它其實(shí)是一種運(yùn)用量子力學(xué)原理搭建起來的互聯(lián)網(wǎng)，能夠使絕對(duì)安全的網(wǎng)絡(luò)通信成為可能。

量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)是量子互聯(lián)網(wǎng)的初級(jí)形態(tài)，其高級(jí)形態(tài)將是全量子網(wǎng)絡(luò)，是用量子隱形傳態(tài)或量子糾纏交換技術(shù)作為鏈接，將用戶、量子計(jì)算、量子傳感等節(jié)點(diǎn)連為一體，產(chǎn)生、傳輸、使用量子資源的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其將用于量子通信、量子傳感及量子計(jì)算。

在量子互聯(lián)網(wǎng)的幫助下，用戶將有望在一個(gè)絕對(duì)安全的通信網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息。

眼下，因其強(qiáng)大的能力、廣泛的應(yīng)用前景，量子新興技術(shù)被視為“決定未來的技術(shù)”。

對(duì)于量子技術(shù)的優(yōu)越性，來自“潘之隊(duì)”的超導(dǎo)量子計(jì)算負(fù)責(zé)人朱曉波教授認(rèn)為，超導(dǎo)體具有零損耗特質(zhì)，半導(dǎo)體平面印刷工藝成熟，超導(dǎo)量子比特容易耦合與控制，且超導(dǎo)量子方案中尚沒有發(fā)現(xiàn)原則性的困難，這些都是超導(dǎo)量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。

“量子世界給我們帶來了新希望?！敝鞎圆ㄕf。

與經(jīng)典計(jì)算模式不同，量子計(jì)算能力隨可操控的量子比特?cái)?shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)50比特的相干操縱，便有望實(shí)現(xiàn)所謂的“量子優(yōu)越性”—即在特定問題的處理上，能力將超過超級(jí)計(jì)算機(jī)。

對(duì)于當(dāng)前量子技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，朱曉波教授表示，量子網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算技術(shù)目前處于發(fā)展初期，現(xiàn)階段各國(guó)都在發(fā)展基于可信中繼的量子通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)積極儲(chǔ)備“量子互聯(lián)網(wǎng)”后續(xù)階段的基礎(chǔ)技術(shù)。

目前超導(dǎo)量子計(jì)算的國(guó)際前沿水準(zhǔn)是Google的53量子比特、保真度99.4%的超導(dǎo)量子系統(tǒng)。朱曉波教授透露，中國(guó)科大今年預(yù)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)60量子比特、99.5%保真度的超導(dǎo)量子系統(tǒng)，而5年后，希望能將這一數(shù)字提高到千個(gè)量子比特，10年后達(dá)到百萬量子比特。

眼下，在這個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代，全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)計(jì)算有著巨大的需求，而目前人類所擁有的計(jì)算能力卻還相當(dāng)有限。因此，量子通信、量子傳感、量子計(jì)算等新興科技的蓬勃發(fā)展，將對(duì)世界產(chǎn)生巨大影響。

“墨子號(hào)”升空，量子技術(shù)落地

眼下，西方諸國(guó)在整合科研資源對(duì)量子技術(shù)進(jìn)行布局、不斷加大相關(guān)投入。全球量子競(jìng)賽愈發(fā)劇烈，我國(guó)面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

作為“墨子號(hào)”量子糾纏源載荷主任設(shè)計(jì)師，印娟教授認(rèn)為在量子領(lǐng)域，我國(guó)起步較晚，但過去二十年間，發(fā)展迅速，特別在量子保密通信領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)成為國(guó)際領(lǐng)跑者。

眼下，在量子通信的國(guó)際賽跑中，中國(guó)屬于后來者。經(jīng)過多年的努力，中國(guó)已經(jīng)躋身于國(guó)際量子信息研究行列，在城域量子通信技術(shù)方面也走在了世界前列，建設(shè)完成合肥、濟(jì)南等規(guī)?；孔油ㄐ懦怯蚓W(wǎng)，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)也竣工。

然而，這只是開始。中國(guó)量子衛(wèi)星科學(xué)家潘建偉院士認(rèn)為，在城市范圍內(nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最佳方案。但要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

“通過發(fā)射衛(wèi)星，去除干擾因素，就可以實(shí)現(xiàn)幾千公里的量子通信?！迸私▊フf，有了量子衛(wèi)星，還可以在宏觀距離上檢驗(yàn)所謂的量子力學(xué)的非局域性，也就是“幽靈般的超距作用”。

2016年8月16日，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的“墨子號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射升空，兩年時(shí)間完成了既定科學(xué)目標(biāo)—量子糾纏分發(fā)和量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)、量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)。由于其優(yōu)異的性能表現(xiàn)，“墨子號(hào)”將超長(zhǎng)服役2年，開展進(jìn)一步的拓展實(shí)驗(yàn)。

前不久，“墨子號(hào)”度過了自己的4歲生日。對(duì)于“墨子號(hào)”的意義，印娟介紹，量子保密通信要從實(shí)驗(yàn)室走向廣泛應(yīng)用，遠(yuǎn)距離傳輸問題是需要解決的重要挑戰(zhàn)之一。光纖由于存在固有的光子損耗，且與環(huán)境耦合會(huì)致使糾纏品質(zhì)下降，因此光量子傳輸難以通過光纖向遠(yuǎn)距離拓展。而基于空間平臺(tái)（例如衛(wèi)星）的自由空間量子通信，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離安全通信的一種途徑?；谛l(wèi)星，無論地面兩點(diǎn)相距多遠(yuǎn)，損耗僅發(fā)生在地面站和衛(wèi)星之間，等效大氣厚度只有10公里級(jí)。

“由于充分的技術(shù)積累，‘墨子號(hào)’表現(xiàn)出超過預(yù)期的優(yōu)異性能，除了完成既定的科學(xué)目標(biāo)外，還完成了多項(xiàng)拓展實(shí)驗(yàn)?！庇【暾劦?。例如，實(shí)現(xiàn)相隔7600公里的洲際量子通信實(shí)驗(yàn)（北京至維也納）；實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，把無中繼量子密鑰分發(fā)的安全距離提升到1000公里，且即使衛(wèi)星被他方控制也能夠?qū)崿F(xiàn)密鑰的安全分發(fā)；利用量子衛(wèi)星在地球引力場(chǎng)中對(duì)嘗試融合量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；實(shí)現(xiàn)星地高精度安全時(shí)頻傳遞等等。

在量子技術(shù)日趨成熟的今天，我們可以預(yù)見，量子互聯(lián)網(wǎng)將會(huì)為當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)帶來更多新的變化。眼下，“墨子號(hào)”是我國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)取得突破的一個(gè)里程碑。接下來，我們更需要思考，如何利用量子網(wǎng)絡(luò)的完全可擴(kuò)展性和豐富的量子信息處理能力，將其與其他產(chǎn)業(yè)融合，為未來中國(guó)科技的創(chuàng)新與發(fā)展帶來更多的可能。