量子计算正从“玩具”变成“工具”

2021-01-07 tudou 互联网
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原标题:量子计算正从“玩具”变成“工具”

  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。