各國(guó)踴躍發(fā)展量子科技 中國(guó)將邁量子通信第一步

8月中旬，如果氣象條件合適，中國(guó)將發(fā)射全球首顆“量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，邁出量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的第一步。

此后，中國(guó)還將陸續(xù)發(fā)射衛(wèi)星，建成全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信的國(guó)家。今年下半年，京滬量子通信干道也將建成，屆時(shí)國(guó)內(nèi)將初步形成廣域量子通信體系。按照規(guī)劃，到2020年，中國(guó)將實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)，屆時(shí)聯(lián)接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成。到2030年左右，中國(guó)將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

各國(guó)圍繞量子信息科學(xué)展開的科技競(jìng)賽已經(jīng)打響，除中國(guó)外，美國(guó)、加拿大和新加坡等國(guó)也在積極部署該領(lǐng)域的研究。

“十三五”科創(chuàng)規(guī)劃提出建設(shè)量子通信和量子計(jì)算重點(diǎn)科技項(xiàng)目

量子力學(xué)描述的是在單個(gè)原子或次原子粒子尺度上，物質(zhì)與能量行為和相互的作用。人類能夠在大尺度上直觀地理解粒子的集體效應(yīng)，但量子行為則通常顯得奇異和反常。這些特殊的量子現(xiàn)象包括量子疊加 （系統(tǒng)同時(shí)包含所有的可能測(cè)量結(jié)果，一旦某個(gè)測(cè)量發(fā)生，則結(jié)果將為定值）和量子糾纏（多粒子的疊加態(tài)，它們的屬性相互關(guān)聯(lián)影響）。

量子的特性打破了人們對(duì)正常世界的理解。目前量子信息領(lǐng)域的主要應(yīng)用方向：一是量子通信，二是量子計(jì)算。在量子通信領(lǐng)域，與其他許多先進(jìn)的前沿科技領(lǐng)域相比，中國(guó)已經(jīng)處在全球領(lǐng)先地位。

8月8日，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》）中，更是提到部署量子通信和量子計(jì)算的重點(diǎn)科技項(xiàng)目。《規(guī)劃》指出，面向2030年，再選擇一批體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目，力爭(zhēng)有所突破。從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略需求出發(fā)，堅(jiān)持有所為、有所不為，力爭(zhēng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)、深?？臻g站、量子通信與量子計(jì)算、腦科學(xué)與類腦研究等重點(diǎn)方向率先突破。

在量子通信和量子計(jì)算重大科技項(xiàng)目里，《規(guī)劃》稱，要研發(fā)城域、城際、自由空間量子通信技術(shù)，研制通用量子計(jì)算原型機(jī)和實(shí)用化量子模擬機(jī)。

量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

今年46歲的浙江東陽人潘建偉，是國(guó)內(nèi)量子通信的領(lǐng)軍人物。2004年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸，這一成果被《自然》雜志發(fā)表，并同時(shí)入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)和美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選出的年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展。

潘建偉的團(tuán)隊(duì)于2007年在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，2008年實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，2012年建成首個(gè)規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。

潘建偉還是此次量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射的主要負(fù)責(zé)人之一。據(jù)團(tuán)隊(duì)成員陸朝陽介紹，若首枚量子通信衛(wèi)星順利發(fā)射成功，中國(guó)將發(fā)射更多的衛(wèi)星。若要實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的安全通信網(wǎng)絡(luò)，大約需要20顆衛(wèi)星。

左邊為陸朝陽，右邊為潘建偉

《Nature》報(bào)道稱，中國(guó)量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的核心是一個(gè)能夠產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的晶體，這些光子對(duì)無論相距多遠(yuǎn)，它們的屬性仍然保持糾纏。衛(wèi)星的首個(gè)任務(wù)是向北京和維也納的地面站發(fā)射這些糾纏光子對(duì)，使用它們生成密鑰。

這項(xiàng)任務(wù)為期兩年，團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃在此期間執(zhí)行名為貝爾測(cè)試的統(tǒng)計(jì)測(cè)量，以證明相距1200公里的粒子之間存在糾纏。根據(jù)量子理論預(yù)測(cè)任何距離之間都存在糾纏，但需要貝爾測(cè)試實(shí)際驗(yàn)證。此外，團(tuán)隊(duì)還將嘗試“隱形傳輸”量子態(tài)，通過使用糾纏光子對(duì)以及以更加常規(guī)方式傳輸?shù)男畔?，在新的位置重?gòu)光子的量子態(tài)。

潘建偉說希望通過量子通信研究，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)，以保證信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全；通過量子計(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；通過量子精密測(cè)量研究，實(shí)現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等等。

“量子通信和量子計(jì)算都是屬于量子調(diào)控技術(shù)范圍。”潘建偉說，“目前，全世界計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力都非常弱?！?/p>

潘建偉預(yù)測(cè)，不到十年左右的時(shí)間，他們就能夠造出一種專用的量子計(jì)算機(jī)或者叫做量子模擬機(jī)，在某些計(jì)算能力上要比目前最快的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快百億倍甚至更多。

各國(guó)備戰(zhàn)量子信息技術(shù)

除了中國(guó)在緊鑼密鼓地部署量子通信，尋求國(guó)際領(lǐng)先地位外，其他國(guó)家也在積極推進(jìn)量子信息科學(xué)的研究。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（NSTC）在7月份，發(fā)布了《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國(guó)家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》的報(bào)告。報(bào)告中，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)對(duì)量子信息科學(xué)的重要性，前瞻性進(jìn)行了闡述，還介紹了美國(guó)在量子信息科學(xué)的研究發(fā)展?fàn)顩r。該委員會(huì)認(rèn)為量子計(jì)算能有效推動(dòng)化學(xué)、材料科學(xué)和粒子物理發(fā)展，未來可能最終會(huì)顛覆眾多科學(xué)領(lǐng)域，人工智能也當(dāng)屬其中之一。

美國(guó)政府隨即在官網(wǎng)發(fā)文，督促學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府盡快就量子信息科學(xué)（QIS）議題進(jìn)行交流，以保證量子信息研發(fā)的關(guān)鍵需求得到滿足。目前，美國(guó)科技公司谷歌、IBM等已經(jīng)在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有所投入。

歐洲國(guó)家也不甘自己在量子領(lǐng)域落后。今年4月份，歐盟委員會(huì)對(duì)外宣布，將斥資10億歐元投入量子技術(shù)，希望這個(gè)項(xiàng)目“將會(huì)讓歐洲處于第二次量子革命的前沿，未來10年在科學(xué)、產(chǎn)業(yè)和社會(huì)方面帶來變革性的進(jìn)展”。

加拿大也是量子領(lǐng)域不可忽視的力量。據(jù)《Nature》新聞雜志報(bào)道，加拿大的一直科研團(tuán)隊(duì)正提出在地面生成糾纏光子對(duì)，然后將其中部分發(fā)射至重量不到30公斤的微型衛(wèi)星上。這比在太空生成光子便宜，加拿大量子加密與科學(xué)衛(wèi)星（QEYSSat）團(tuán)隊(duì)成員，滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家Brendon Higgins說，但是將光子發(fā)送到運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星上將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃首先在飛機(jī)上使用光子接收器測(cè)試該系統(tǒng)。

除此之外，新加坡國(guó)立大學(xué)和英國(guó)斯特拉斯克萊德大學(xué)合作，利用重量為5公斤的衛(wèi)星（也稱為立方體衛(wèi)星）開展量子實(shí)驗(yàn)。去年，該團(tuán)隊(duì)發(fā)射了一顆立方體衛(wèi)星，在軌道中產(chǎn)生并測(cè)量“關(guān)聯(lián)”光子對(duì)；他們希望在明年發(fā)射可以產(chǎn)生完全糾纏光子對(duì)的裝備。

新加坡國(guó)立大學(xué)物理學(xué)家Alexander Ling在接受《Nature》的采訪時(shí)認(rèn)為，立方體衛(wèi)星單個(gè)耗費(fèi)僅10萬美元，使太空量子通信易于實(shí)現(xiàn)。