“你好！”9月29日，從中國(guó)發(fā)出的一聲問(wèn)好，通過(guò)量子保密“京滬干線”，又經(jīng)過(guò)“墨子號(hào)”衛(wèi)星，跨越了半個(gè)地球來(lái)到奧地利。這是歷史上首次洲際量子保密通信，通話內(nèi)容經(jīng)過(guò)量子加密后，理論上無(wú)法破解。一次簡(jiǎn)短的通話，留下濃墨重彩的一筆。如此長(zhǎng)距離、實(shí)用化的量子保密通信，意味著覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)已離我們?cè)絹?lái)越近。

量子衛(wèi)星上天、量子計(jì)算云平臺(tái)啟動(dòng)、“京滬干線”啟航，在這場(chǎng)“第二次量子革命”中，微觀世界的這些中國(guó)“探夢(mèng)者”，正在尋找開啟未來(lái)科技的“新引擎”。

量子通信：

一場(chǎng)反監(jiān)聽的安全大戲

        最開始，人類結(jié)繩記事；然后，用語(yǔ)言和文字溝通；再后來(lái)，手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)成為必需品。信息傳輸，早已從如何傳輸，走入了“如何安全傳輸”的年代。而在這場(chǎng)比電影更精彩的現(xiàn)實(shí)大戲中，有兩個(gè)人貢獻(xiàn)了兩幕高潮。

        斯諾登說(shuō)，有人在監(jiān)聽。

        潘建偉說(shuō)，他們聽不懂。

        中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、杏林苑和濱湖新區(qū)……2008年10月，這三個(gè)合肥市內(nèi)本不相干的點(diǎn)，因?yàn)橐淮螌?shí)驗(yàn)連接在了一起。它們仨因?yàn)榻M成了三節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展的量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)量子保密電話系統(tǒng)建設(shè)，而被永久載入史冊(cè)。

        隨后，五節(jié)點(diǎn)，四十六節(jié)點(diǎn)，合肥、濟(jì)南城域網(wǎng)，“京滬干線”……量子通信網(wǎng)在不斷擴(kuò)展。隨著量子衛(wèi)星的發(fā)射成功，量子通信網(wǎng)絡(luò)真正升至“廣域”“洲際”傳播，為信息保密傳輸畫上了“天地一體”的注腳。

        9月29日下午，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)白春禮與奧地利科學(xué)院院長(zhǎng)安東·塞林格通過(guò)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了一次視頻通話。這次通話使用的量子密鑰，信號(hào)是這樣“走”的：先通過(guò)“京滬干線”北京控制中心與“墨子號(hào)”衛(wèi)星興隆地面站的連接，打通天地一體化廣域量子通信的鏈路，然后通過(guò)“墨子號(hào)”與奧地利地面站的衛(wèi)星量子通信，來(lái)到7000多公里以外的歐洲。

        從百公里級(jí)的實(shí)驗(yàn)，到千公里級(jí)的實(shí)際應(yīng)用，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院研究團(tuán)隊(duì)不斷取得突破，先后攻克了高速量子密鑰分發(fā)、高速高效率單光子探測(cè)、可信中繼傳輸和大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)管控等關(guān)鍵技術(shù)難題。

        “能夠進(jìn)行這么長(zhǎng)距離、多節(jié)點(diǎn)的量子保密通信，尤其是國(guó)外節(jié)點(diǎn)并非由我們建設(shè)，說(shuō)明‘天地一體’量子通信網(wǎng)絡(luò)是穩(wěn)定、兼容的，可以實(shí)用化?！薄熬删€”項(xiàng)目首席科學(xué)家潘建偉院士說(shuō)。

        “京滬干線”這條連接北京、上海，貫穿濟(jì)南和合肥的量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，全長(zhǎng)2000余公里，可滿足上萬(wàn)名用戶的密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)需求。通過(guò)這條線路，多家銀行和企業(yè)都實(shí)現(xiàn)了京滬異地?cái)?shù)據(jù)的量子加密傳輸?shù)葢?yīng)用。

        由于量子具有“不可分割”、“測(cè)不準(zhǔn)”、“不可克隆”等特性，量子保密通信在原理上是絕對(duì)安全、不可破解的?？茖W(xué)家這樣解釋：首先，由于“不可分割”，竊聽者無(wú)法分割出半個(gè)量子進(jìn)行測(cè)量；其次，測(cè)量必然會(huì)改變量子的狀態(tài)，竊聽者也不能截取量子之后，去測(cè)量它的狀態(tài)，因?yàn)檫@樣竊聽行為會(huì)暴露；第三，未知的量子態(tài)無(wú)法被精確復(fù)制，竊聽者即使截取了量子，也不能精準(zhǔn)復(fù)制量子狀態(tài)來(lái)竊聽，得到的只能是“偽碼”。

量子計(jì)算：

秒殺超級(jí)計(jì)算機(jī)的未來(lái)引擎

        10月11日，量子計(jì)算云平臺(tái)“中國(guó)版”正式啟動(dòng)，量子計(jì)算的商業(yè)化落地近在咫尺。這一云平臺(tái)，由中科院與阿里云合作發(fā)布。據(jù)介紹，這是為用戶提供量子計(jì)算的起點(diǎn)，希望推動(dòng)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)三方面的愿景：一是提升現(xiàn)有計(jì)算，包括提升機(jī)器學(xué)習(xí)、組合優(yōu)化等性能，帶動(dòng)基于這些核心計(jì)算的業(yè)務(wù)；二是賦能新興產(chǎn)業(yè)，營(yíng)造量子信息技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)；三是擴(kuò)充安全，加強(qiáng)已有的量子加密通信技術(shù)，使用量子衛(wèi)星，推出基于量子密碼的安全計(jì)算。

        將量子計(jì)算商業(yè)化，已經(jīng)是全球業(yè)界的共識(shí)。2016年，IBM就向公眾開放了一款基于云的量子計(jì)算平臺(tái)——“Quantum Experience”，用戶登錄后能使用一臺(tái)5量子比特的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行算法或?qū)嶒?yàn)?zāi)M；2017年3月，又宣布計(jì)劃建立業(yè)界首個(gè)商用通用量子計(jì)算平臺(tái)IBM Q。

        讓更多人參與到量子計(jì)算的探索和研究中，無(wú)疑可以加快其突破的速度；但量子計(jì)算也并非是“萬(wàn)能”的，其目的主要是用來(lái)處理過(guò)于復(fù)雜和發(fā)展太快，以至于傳統(tǒng)計(jì)算系統(tǒng)無(wú)法處理的各種問(wèn)題。潘建偉說(shuō)，目前云平臺(tái)提供25量子比特的經(jīng)典計(jì)算仿真環(huán)境，2017年底基于10個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算將上線。

        中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波是10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏的主要實(shí)現(xiàn)者之一。他告訴記者，量子計(jì)算有兩條實(shí)現(xiàn)路徑，一是通用量子計(jì)算，這是非常艱難的，需要實(shí)現(xiàn)量子容錯(cuò)等。而在計(jì)算深度和比特有限的情況下，能否制造一個(gè)模擬機(jī)，在某些特定問(wèn)題上，比超級(jí)計(jì)算機(jī)更快，就成了現(xiàn)在的路徑?！拔覀儗?0個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子處理器接入云端，希望大家都參與，試圖打通科研到應(yīng)用?！?

        “量子計(jì)算發(fā)展的進(jìn)程比我想象得要快得多?！迸私▊フf(shuō)，中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了目前已知的所有量子算法的驗(yàn)證。團(tuán)隊(duì)將在今年底發(fā)布一臺(tái)可上網(wǎng)的、基于超導(dǎo)量子比特的量子計(jì)算機(jī)；希望到明年，完成對(duì)更多數(shù)目的量子比特高精度操縱。最終，計(jì)算能力將超越目前最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”。實(shí)現(xiàn)后可用于很多實(shí)用性的研究，例如研究量子退火的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高效全局的最優(yōu)搜索，使得指揮交通、理解圖像等更加簡(jiǎn)便、迅速。

“量子革命”：

中國(guó)量子人如何回答愛因斯坦“百年之問(wèn)”？

        信息技術(shù)的發(fā)展，很大程度上是量子力學(xué)奠定了根本的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)量子力學(xué)理論的觀測(cè)和應(yīng)用，催生了第三次產(chǎn)業(yè)變革，同時(shí)也帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題。

        一是安全性的問(wèn)題。信息傳輸過(guò)程中，所有依賴計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典加密算法，原則上隨著計(jì)算能力的提高，都是會(huì)被破解的。信息安全的瓶頸日益凸顯。

        二是大數(shù)據(jù)帶來(lái)的計(jì)算能力瓶頸。要把數(shù)據(jù)中的有效信息提取出來(lái)，需要龐大的計(jì)算能力，否則數(shù)據(jù)就是垃圾。盡管現(xiàn)在每部手機(jī)的計(jì)算能力和當(dāng)時(shí)“登月計(jì)劃”中用到的是同等量級(jí)，但現(xiàn)在全世界的計(jì)算能力仍然是非常有限的，大約在2的80次方左右。進(jìn)入納米量級(jí)后，量子效應(yīng)將起到主要的作用，原有的摩爾定律也將遇到瓶頸。

        “非常有意思的是，量子力學(xué)同時(shí)為解決這些問(wèn)題做好了準(zhǔn)備，第二次量子信息革命正在加速到來(lái)?！迸私▊フf(shuō)，量子信息學(xué)將有三方面的應(yīng)用：第一是利用量子通信提供原理上無(wú)條件安全的加密；第二是利用量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)超快的計(jì)算能力，一個(gè)億級(jí)變量的方程組計(jì)算，用現(xiàn)在最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也需要100年，而用量子計(jì)算機(jī)只需要0.01秒；第三是實(shí)現(xiàn)量子精密測(cè)量。

        量子信息技術(shù)方興未艾，這一領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)也在不斷加劇。近年來(lái)，歐美紛紛提出“第二次量子革命”計(jì)劃，加大基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的投入。2016年3月，歐盟委員會(huì)發(fā)布《量子宣言（草案）》，計(jì)劃于2018年啟動(dòng)10億歐元的量子技術(shù)項(xiàng)目。美國(guó)更是將“量子躍遷”作為“6大科研前沿”之一，認(rèn)為人類正站在下一代量子革命的門檻上，量子力學(xué)正在導(dǎo)致變革性技術(shù)，必須加大投入促進(jìn)交叉性基礎(chǔ)研究。

        對(duì)于量子時(shí)代的科學(xué)應(yīng)用，中國(guó)“量子人”團(tuán)隊(duì)有著明確的科研路線圖：通過(guò)量子通信研究，從初步實(shí)現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實(shí)現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)量子計(jì)算研究，為大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時(shí)代信息的有效挖掘；通過(guò)量子精密測(cè)量研究，實(shí)現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等。