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我國量子通信和量子計算研究現在是什麼水平?

“‘第二次量子革命’是一個非常好的機遇,是一個能夠使我們從之前的跟隨者、模仿者變為引領者的機會,中國的科學家希望在‘第二次量子革命’裡能夠發揮非常好的作用。”

大家好,非常榮幸有機會和大家分享在過去的十幾年裡,我國在量子通信領域,從跟隨到領跑的過程中發生在我身邊一些的故事。

  可能很多人看過這些新聞,2016年8月16日,我國發射了世界上第一顆量子科學實驗衛星。

  國際上幾乎所有最重要的媒體,如BBC、《紐約時報》,還有《自然》、《科學美國人》等雜誌,都報道了這個事件,並把它評為改變世界的十個重大科學事件之一。《華爾街日報》也以《沉寂了一千年,中國誓回發明創新之巔》為題進行報道。

  以量子衛星為代表的來自中國的一系列量子信息技術成果也直接或者間接觸發了歐洲和美國的重大投入。比如,歐洲正式啟動了量子技術旗艦項目,美國也通過了“國家量子行動法案”。

歐美對量子技術的投入歐美對量子技術的投入

  谷歌、IBM、微軟等企業也已經非常強勢地介入量子計算研究。

谷歌、IBM、微軟等企業介入量子計算研究谷歌、IBM、微軟等企業介入量子計算研究

  平時,我們也會看到很多消息,比如斯諾登爆料美國正在研發可以破譯任何密碼的量子計算機。當然,不需要斯諾登的爆料,我們也知道美國肯定會投入研發類似的量子計算機。

  很多時候出於商業目的,谷歌和IBM也經常會發布有關量子計算方面的新聞。再比如,扎克伯格剛剛滿月的女兒,已經開始學習《寶寶的量子物理學》(當然是開玩笑的)。這些讓我們特別有危機感。

扎克伯克一家扎克伯克一家

  當然也有一些不靠譜的廣告,比如量子鞋墊、量子水……

虛假廣告虛假廣告

  引發從小娃娃到大企業這麼高興趣的量子到底是什麼?它有什麼用?我國現在處於一個什麼樣的階段?這就是我想跟大家分享的內容。

  什麼是量子

  量子是物質和能量最基本的單元。我站在講臺上,有燈光照過來,光有最小的不可分割的單位,它的能量非常小。一個40瓦的燈泡,一秒鐘可以放出萬億億個光子,即1020個光子。

光子光子

  組成物質的基本單元,如原子、分子的典型尺度為10 -10 米,比納米還要小十倍,差不多是我們頭髮絲的百萬分之一。

原子原子

分子分子

直接用我們的眼睛“看”不到這些量子的基本粒子。想象以下,如果能像孫悟空一樣可以把自己縮小成一隻非常小的蒼蠅,再進一步縮小為一個電子,我們就可以試著到原子裡面看它的樣子。

  下圖是用薛定諤方程計算出來的,一個最簡單的原子,即一個氫原子只由一個原子核和一個電子組成,所呈現出來的美麗的形狀。物理學並沒有想象中的那麼枯燥,它是非常漂亮的一門學科。

氫原子波函數氫原子波函數

  有句話說:一葉一菩提,一沙一世界。接下來,我們通過一個非常簡單的遊戲,瞭解量子世界的運動有哪些比較奇怪的規律。

  很多人都打過保齡球,這個新遊戲裡面讓保齡球通過兩個狹縫,最終會在後面的屏幕上留下兩個痕跡。

  如果把保齡球縮小為一個電子,重新玩這個遊戲。此時,一個非常奇怪的現象出現了。如視頻最後所示,屏幕中會出現多條明暗相間紋。

量子“保齡球”實驗結果量子“保齡球”實驗結果

  如下圖所示,經典世界和量子世界形成了非常鮮明的對比。經典世界是我們都非常熟悉的,球打過去就是這樣的結果。在量子世界,有點像孫悟空的分身術,球的兩個分身可以一起經過左右兩條縫隙。

左:經典世界  右:量子世界左:經典世界  右:量子世界

  這就是量子世界不同於經典世界的一個非常奇妙的特徵,量子世界允許一個物體同時存在於多種狀態。

  量子計算主要就是依賴於這個特性。計算的基本單元是0和1,例如,我們可以用圖中的紅色和藍色路線分別代表0和1。

量子世界量子世界

  1個量子比特中,0和1兩種狀態同時存在;50個量子比特,有250種狀態同時存在。這些狀態同時輸入一個函數,可以同時得出250種狀態的結果,提供一種非常快速的並行計算方法。

  但如果我們想看以下量子的保齡球到底是從左邊(紅色)還是右邊(藍色)過去的,此時,一個更加奇怪的現象出現了。

  如果沒有人觀測,量子會從兩邊同時經過,一旦有人觀測,這種量子現象就會消失,退化回到經典現象。

  所以,量子的狀態和其是否被測量相關。這種性質是量子保密通信原理的一個形象描述,就是說,一旦有人竊聽量子通信的通道,他不可避免地會擾動、改變量子狀態,從而使通信雙方察覺,這樣,在物理原理上保證了通信的安全性。

量子通信保密原理量子通信保密原理

  量子的應用

  很多人覺得這個聽起來有點意思,但是似乎感受不到高冷的量子物理和我們生活的關係。其實,過去的一百多年,自量子力學發展以來,它所催生的各種技術已經徹底改變了我們的生活。

  比如,我們今天使用的計算機、筆記本電腦、手機的芯片,其基本的計算單元是晶體管,就是基於量子力學中的能帶理論發明的。

  激光也來源於量子力學,我們使用的硬盤(巨磁阻)、硬盤,還有LED發光等,都依賴於量子力學。但是之前的這些量子技術,都是基於量子規律的宏觀應用。

第一次量子革命第一次量子革命

  最近幾十年,物理學發展到新的階段,即使有百億億個光子,在實驗室裡可以精準地控制一個一個的光子、一個一個的原子。這些技術正在催生“第二次量子革命”的一些新技術,包括安全通信、超快計算、精密測量等技術。

第二次量子革命第二次量子革命

  我國量子技術的發展

  改革開放40年,很多方面發生了翻天覆地的變化。回顧過去會對這種變化有更加深切的感受。我們把時間軸撥回1996年,當時,我的導師潘建偉老師剛去奧地利留學。

  有一天,他興沖沖地去找他的導師安東·塞林格,說自己通過計算髮現了一個有趣的理論方案。講完這個方案後,安東問他有沒有聽說過“量子隱形傳態”,潘老師說不知道。

左:Anton Zeilinger   右:潘建偉左:Anton Zeilinger   右:潘建偉

  由於當時互聯網水平的限制和國際期刊在國內的普及程度不夠,在不知道1993年Bennett等人的PRL文章情況下,潘建偉就重新獨立推導出了量子隱形傳態,這是量子信息中的一個核心方案。

  從到達因斯布魯克的第一天開始,導師安東就問潘建偉的留學夢想是什麼,他回答說:“要在中國建立一個世界一流的量子實驗室”。

  過去的十幾年,在中科院、科技部、基金委、教育部等部門的支持下,這個夢想正一步步邁向現實。

人才培養和團隊建設歷程人才培養和團隊建設歷程

  2002年,我們的團隊只有5個人。從2006年開始,很多年輕的學生被派到世界各地,在國際先進的實驗室學習新技術。

  2009年,剛剛參加完《復興之路》的主題展,潘建偉老師激動地給幾乎所有的學生髮了一條短信,希望我們能夠回國為民族復興盡力。2011年,這些學生基本都回到了國內。

  我們團隊主要的研究路線從量子基礎研究開始,然後進入應用基礎研究,再慢慢的把一些能夠直接應用和產業化的技術投入實踐應用,反哺社會經濟發展。

研究路線研究路線

  比如,在多光子糾纏領域,我們一直在國際上保持領先的地位,目前,我們已經實現了18個光量子的糾纏。

糾纏量子比特數目糾纏量子比特數目

  利用國際一路領先的多光子糾纏和干涉技術,我們在2017年實現了第一臺在“波色取樣”這個特定任務上能夠超越最早期兩臺經典計算機的光量子計算原型機。這是邁向“量子霸權”先期基礎測試的一步。

  量子通信

  我們一直在做的不是彎道超車,而是直道超車。量子科學實驗衛星是直道超車的一個非常好的範例。

  最開始在論證的時候,有些專家會問國外有沒有開展這樣的研究。有很多人的概念是,基本上國外開展研究了,我們才開始研究。

  基於量子衛星和“京滬幹線”(京滬幹線:連接北京、上海,貫穿濟南和合肥全長2000餘公里的量子通信骨幹網絡),我們國家首次描繪了天地一體化的量子通信網絡的藍圖。

京滬幹線京滬幹線

  現在很多國外單位,包括歐洲、美國,都主動來找中國的單位,要求加入我們的合作項目。2017年,“墨子號”實現了從北京到維也納的7600公里的量子保密的通信。

  下圖展示了地面和衛星的對接,位於我國西藏阿里。

地面與衛星對接地面與衛星對接

  量子計算和精密測量 

  此外,我們在量子計算方面也做了比較系統的佈局,利用超冷原子能夠實現一些實用化的量子模擬技術。

超冷原子量子模擬超冷原子量子模擬

  利用超導量子計算探索和攻關通用的量子計算機,目前我們已經做到了12個超導量子比特的糾纏。

12個超導量子比特的糾纏12個超導量子比特的糾纏

  平時在新聞裡可能會聽到,IBM做到了50個量子比特,谷歌做到了72個,但他們宣稱的量子比特數目還不能形成量子糾纏。

  過去的十幾年,我們在國際上獲得一些比較好的評價。2007年,《新科學家》在其《中國崛起》專刊裡提到:“中國科學技術大學——因而也是整個中國——牢牢地在量子計算的世界地圖上佔據了一席之地”。

  2012年,《自然》年度十大科技亮點中說“標誌著中國在量子通信領域的崛起,從10年前不起眼的國家,發展為現在的世界勁旅”。之後的2013、15年、17、18年,我們也分別有原創成果入選國際上的一些重大進展。

  獲獎情況。由左至右:2012年《自然》;美國物理學會“2013年度亮點”;英國物理學會“2015年度突破”;《自然》“2017年度國際重大科學事件”

  下圖總結了我國量子信息領域在高水平期刊上發表論文的情況,可以看到,從1998年開始,高水平論文數量已經增長了80多倍。這也是我們國家科技方面在改革開放40年裡進步的縮影。

我國量子信息領域高水平論文發表情況我國量子信息領域高水平論文發表情況

  未來,希望利用我剛才所講的技術,在地面用光纖的方法實現城市裡多個節點的量子通訊網絡,再利用衛星實現超遠距離,例如幾千公里的安全信息傳輸,組建一個能夠保障國家信息安全的骨幹網,同時催生下一代的信息技術。

  總的來說,量子通信已經比較成熟了,而且我國是全面領先於歐洲和美國的。但量子計算剛剛從基礎研究邁入技術積存和集中攻關的階段,根據其實現難度,基本可以分為三個階段。

量子計算髮展三階段量子計算髮展三階段

  第一階段:量子霸權。量子霸權是一個學術定義,指能夠造出一臺在某個問題上超越經典計算機能力的量子計算機。我們希望在未來的兩三年內能夠達到這個目標。

  第二階段:實用量子模擬機。未來的5—10年,我們希望實現一些有實用價值的,比如可以應用於材料設計、組合優化、大數據等的模擬機。

  第三階段:通用量子計算機。這是最終、最困難的目標。

  量子精密測量的實現難度比量子計算容易,它的應用將也會非常廣泛。利用量子比特非常敏感的特徵測量一些重要的物理量,比如重力、磁場、電場、溫度等。從而把它用於導航技術、生命醫學檢測等方面。

左:慣性導航   右:重力地圖左:慣性導航   右:重力地圖

左:納米級空間分辨率高靈敏電磁場、溫度測量 右:環境與安全監測左:納米級空間分辨率高靈敏電磁場、溫度測量 右:環境與安全監測

  

  國際挑戰

  雖然目前態勢較好,但我們也面臨著一些非常嚴峻的國際挑戰。2017年10月24日,美國國會召開聽證會討論如何保證美國在量子技術國際競爭中的領導地位。

  會議提到:“德國最先開展核武器研製,但美國率先造出原子彈;前蘇聯最先進入太空,但美國率先實現了登月。儘管目前中國在量子技術若干方向上暫時具有優勢…”

  “……只要美國政府有意願,就一定能夠再次領先……美國絕對無法承受在量子技術革命競爭中失敗的代價。”

  最後做一個總結。“曼哈頓計劃”改變了20世紀的世界格局。“第一次量子革命”時,因為歷史原因,中國並沒有太多的參與,但現在“第二次量子革命”是一個非常好的機遇,是一個能夠使我們從之前的跟隨者、模仿者變為引領者的機會,希望中國的科學家希望在“第二次量子革命”裡能夠發揮非常好的作用。

  謝謝大家。

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