搶占量子科技發展制高點

文/海川

建立與地面城域光纖量子通信網絡的無縫連接，初步實現能夠業務化運行的廣域量子通信網絡服務

2 月27日，“2017年度中國科學十大進展”在京發布，“墨子號”量子科學實驗衛星位居榜首；1月10日，中科院院士、中國科學技術大學教授、“墨子號”首席科學家潘建偉在第48屆量子電子物理學大會上，獲頒蘭姆獎（Willis E. Lamb Award）；2017年12月19日，潘建偉入選《自然》雜志評選的“2017年度改變世界的十大科學人物”，被稱為“讓量子通信馳騁于天地之間的物理學家”。

《華爾街日報》針對中國科技的高速發展給出了標題為“沉寂了一千年，中國誓回發明創新之巔”的專題文章，將“墨子號”量子科學實驗衛星作為中國創新能力提升的重要標志。

全國政協委員、中國科學院院士潘建偉在全國兩會期間表示，他和團隊正研發新一代衛星量子通信技術，計劃5年內研制并發展中高軌量子通信衛星。中高軌量子通信衛星將實現全天時星地量子通信及星間量子通信，建立與地面城域光纖量子通信網絡的無縫連接，初步實現能夠業務化運行的廣域量子通信網絡服務。

該團隊另一工作重點是在地面構建范圍更廣的光纖量子通信網絡—“國家廣域量子保密通信骨干網”。他認為通過10年左右，量子通信網絡將具備覆蓋千家萬戶的條件。

為配合“十三五”規劃中明確提出的要在量子信息科技領域部署重大科技項目，該院成立了量子信息與量子科技創新研究院，初步凝聚國內相關優勢研究力量、開展協同攻關，以保持和擴大中國在這一領域的領先優勢。

中國領跑量子保密通信

2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。

2017年1月18日，我國發射的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”圓滿完成了4個月的在軌測試任務，正式交付用戶單位使用。在國際上率先實現了千公里級星地雙向量子糾纏分發、千公里級星地高速量子密鑰分發和千公里級地星量子隱形傳態。

2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。在國際上率先實現了千公里級星地雙向量子糾纏分發、千公里級星地高速量子密鑰分發和千公里級地星量子隱形傳態。

“墨子號”的主要應用目標是通過衛星和地面站之間的量子密鑰分發，實現星地量子保密通信，并通過衛星中轉實現可覆蓋全球的量子保密通信。“墨子號”可以在千公里外的外太空以10kbps的速率給地面站分發量子密鑰，比地面同距離光纖量子通信水平提高了15個數量級以上。該項技術突破不僅使得我國具備了對光纖無法覆蓋的地區—如我國的南海諸島、駐外使領館、遠洋艦艇等—直接提供高安全等級量子通信保障的能力，并為我國未來構建覆蓋全球的天地一體化量子保密通信網絡提供可靠的技術支撐。

“墨子號”的另一前沿研究目標是在量子物理基本問題檢驗領域：即通過千公里量級的量子糾纏分發，首次在空間尺度檢驗量子力學的非定域性，并利用量子糾纏在地面和衛星之間實現量子隱形傳態。通過“墨子號”的星地糾纏分發，能夠在相距1200公里以上的兩個地面站之間以1對/秒的速度建立起量子糾纏，將使得人類首次具有在空間尺度開展量子科學實驗的能力，并為未來在外太空開展廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的檢驗做好了堅實的技術準備，成為我國在基礎物理學領域對世界的又一重要貢獻。

“墨子號”成功發射后，極大激起了公眾對量子科技的濃厚興趣。包括英國《自然》雜志、美國《科學》雜志、《科學美國人》、英國《新科學家》《紐約時報》、英國廣播公司（BBC）等眾多國際知名學術和公共媒體都對“墨子號”進行了專題報道，美國國家航天局（NASA）也在其官網上對“墨子號”發射任務給出了詳細的介紹。2016年底，“墨子號”等重大成果共同入選英國《自然》雜志點評的年度國際重大科學事件；“墨子號”作為唯一誕生于美國本土之外的創新技術入選《科學美國人》評選的2016年度“改變世界的十大創新技術”。

2017年世界首個遠距離量子保密通信骨干網“京滬干線”正式開通。“京滬干線”連接北京、上海，貫穿濟南、合肥，全長2000余公里，全線路密鑰率大于20kbps，滿足上萬用戶的密鑰分發業務需求，可為沿線金融機構、政府部門等提供高安全等級的量子保密通信業務支持。結合“京滬干線”與“墨子號”的天地鏈路，中國和奧地利之間通過“墨子號”量子衛星在國際上首次成功實現了距離達7600公里的洲際量子密鑰分發，并利用共享密鑰實現了加密數據傳輸和視頻通信。

“實現信息安全傳輸，是人類幾千年來的夢想，但經驗告訴我們，沒有好的加密技術，信息傳輸總是會被破解，信息安全每天都遭受著很大的威脅，但是量子通信在原理上可以提供一種不能破解、不能竊聽的信息安全傳輸方式，在國防、政務、金融等方面，甚至我們每天的銀行轉款、個人隱私的保護等方面，都可以起到比較好的作用。”潘建偉說。

我國科學家自主研制的量子通信裝備，已經為60周年國慶閱兵、黨的“十八大”“十九大”、紀念抗戰勝利70周年閱兵等國家重要政治活動提供了信息安全保障。中國銀監會銀行業監管信息報送、中國人民銀行人民幣跨境收付信息管理系統、中國工商銀行網上銀行數據異地災備系統、阿里巴巴商業數據加密傳輸等，用的都是量子保密通信技術。據了解，山東、安徽、陜西、山西等地都在積極推動量子通信技術的應用。

全球“量子霸權”爭奪戰

所謂“量子霸權”（quantum supremacy），是美國加州理工學院物理學家 John Preskill發明的新詞。通俗的解讀是：超級計算機目前的計算能力相當于擁有5到20個量子位的量子計算機，但當量子芯片的量子位達到約49個以上時，量子計算機的能力會徹底地將超級計算機甩在身后。

美國斯坦福大學量子物理學家帕特里克·海登3月8日接受新華社記者采訪時提出了一個新穎觀點：“量子霸權是個模糊的里程碑。”海登認為，目前對量子霸權的界定并不足夠明確。首先，量子計算機中有一個特殊的種類是“量子模擬計算機”，它可以直接模擬一些系統的物理特性，已經超出了傳統計算機模擬相關系統的能力。雖然量子模擬計算機仍有一些缺點，難以實用，但海登還是認為：“從這個角度來說，這些系統可能已經實現了量子霸權。”

第二，在計算能力上與傳統計算機的比較結果可能難以驗證。海登說：“谷歌的72量子比特處理器可能具有很強的計算能力，以至于傳統方法無法模擬。也就是說，這場實驗給出的答案，在傳統機器上是無法驗證的，所以我們很難確定谷歌的設備是否做得正確。”

海登指出，實現量子霸權還需要量子處理器在讀出和邏輯運算時的錯誤率足夠低，一臺很快但錯誤率很高的量子計算機，還不如傳統意義上的超級計算機。

對于量子計算，潘建偉認為，“舉個例子，如果我們能夠操縱100個粒子的話，它對某些特定問題的求解方面，計算能力可以達到全世界計算能力總和的100萬倍，是一個非常強大的計算工具，可以解決傳統經典計算機所解決不了的問題，比如氣象預報、藥物設計以及物理材料的設計等。”

潘建偉表示，在國家的高度重視和大力支持下，我國在量子科技發展上形成了非常明顯的特色。“在量子保密通信方面的研究，我們在國際上是處于一個全面領先的地位，而量子計算也在國際學術界牢牢地占據了一席之地。”

2017年5月3日，中國科學院在上海發布了世界上第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機原型機誕生。這是由中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組攻關突破的成果。這次一共發布了兩個量子計算機的原型，一種基于超導，一種基于光學。

針對多光子“玻色取樣”任務的光量子計算原型機，是歷史上第一臺超越早期經典計算機的量子模擬機，比國際同行類似的實驗加快至少24000倍，5月2日，該研究成果以長文的形式在線發表于《自然光子學》。

什么是量子計算機？曾有人打過一個比方：如果現在傳統計算機的速度是自行車，量子計算機的速度就好比飛機。使用億億次的“天河二號”超級計算機求解一個億億億變量的方程組，所需時間為100年。而使用一臺萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

在中國《“十三五”國家科技創新規劃》中，量子計算機已被列入科技創新2030重大項目。去年，中國曾宣布說，要在合肥建設世界最大的量子計算研究中心，占地37公頃，投資高達760億元。它的目標就是開發出量子計算機，可以用于軍事領域，量子計算機可以在數秒之內破解密碼，讓潛水艇以隱形模式在水下航行3個月以上。

由于量子計算具有改變世界的巨大潛力，美國、歐盟等競相加大對量子計算研究的投入，各研究機構、科技巨頭、初創企業等爭相投身這場全球競賽。此前業界有觀點認為，2018年可能會有研究機構實現量子霸權，不過目前還沒有任何一家機構公開宣稱已經達到這個目標。

去年10月，美國國會舉辦聽證會，討論如何確保“美國在量子技術領域的領先地位”。IBM投入30億美元研發量子計算等下一代芯片，微軟公司與多所大學共建量子實驗室。

歐盟從2018年開始，投入10億歐元實施“量子旗艦”計劃。英國在牛津大學等高校建立量子研究中心，投入約2.5億美元培養人才。荷蘭向代爾夫特理工大學投資1.4億美元研究量子計算。

日本計劃10年內在量子計算領域投資3.6億美元。加拿大已投入2.1億美元資助滑鐵盧大學的量子研究。澳大利亞政府、銀行等出資8300萬澳元在新南威爾士大學成立量子計算公司。

量子計算的領先者谷歌在2017年4月份宣布推出49量子位處理器。Google首席科學家John Martinis曾公開表示：為率先登頂“量子霸權”，他所帶領的團隊正在利用49量子比特模擬系統攻克經典計算機無法解出的難題。日前谷歌又發布72量子比特處理器“狐尾松”（Bristlecone），稱其有望在未來實現“量子霸權”。

IBM開發出一臺50量子比特的量子計算機原型機，有望在2021年前推出首個在金融領域的量子計算應用。這無疑是對Google的“量子霸權”算法提出挑戰。另一方面，IBM至今未公布“量子計算原型機”的詳細性能和測試結果。

日本NTT公司研發出超高性能新型量子計算機，可瞬間解析復雜算法。英特爾推出17量子位的超導量子芯片，推動量子計算邁入半導體產業。

阿里巴巴子公司阿里云和中科院合作于2015年成立了“阿里巴巴量子實驗室”，準備在2025年之前開始打造量子計算機。2017年10月11日，杭州·云棲大會期間，“達摩院”支持研發的量子技術領域迎來了首個重量級發布—“量子計算云平臺”上線。

2018年2月，中科院量子信息與量子科技創新研究院與阿里云宣布，在超導量子計算方向發布11比特的云接入超導量子計算服務。據了解，這是繼IBM后全球第二家向公眾提供10比特以上量子計算云服務的系統。該服務已在量子計算云平臺上線，在云端實現了經典計算仿真環境與真實量子處理器的完整后端體驗。通過量子計算云平臺，用戶可上傳測試運行各種量子計算線路代碼，并下載相關運行結果。

今年3月初，百度也宣布成立量子計算研究所，開展量子計算軟件和信息技術應用業務研究，悉尼科技大學量子軟件和信息中心創辦主任段潤堯教授出任百度量子計算研究所所長，直接向百度總裁張亞勤匯報。段潤堯表示，將全力推動“百度量子、量子百度”的研究規劃，計劃五年時間里在百度組建世界一流的量子計算研究所，并在之后五年將量子計算逐漸融入百度的業務中來。

“整個業界都在全速前進，建造越來越復雜精密的系統，以找到能充分證實自己實現量子霸權的方法。”海登說。在分析“狐尾松”處理器的特點時海登還說：“拋開量子霸權，谷歌72量子比特處理器非常適合演示量子糾錯，非常適合演示如何將邏輯量子比特存儲在物理量子比特中，用一種強健的方式延長它們的使用壽命。”

“量子糾錯將是全功能量子計算系統一個至關重要的特征，”海登說，如果在量子糾錯方面取得突破，“意味著這種系統未來將可以在實踐中應用，這與量子霸權一樣激動人心！”

量子科技大事記

1982年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出“量子計算機”的概念。

1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾證明量子計算機能夠完成對數運算，且速度遠勝傳統計算機。

1997年，科學家首次用一對糾纏光子實現了量子信息傳輸。

2005年，世界第一臺量子計算機原型機在美國誕生，基本符合了量子力學的全部本質特性。

2007年2月，加拿大D-Wave系統公司宣布研制成功16位量子比特的超導量子計算機。

2007年，維也納大學的安東·齊林格和他的同事們用一對糾纏光子在加那利群島的兩個島之間傳輸了一份量子信息，傳送距離超過了143千米。

2010年1月，美國哈佛大學和澳洲昆士蘭大學的科學家利用量子計算機準確算出了氫分子所含的能量。

2010年3月，德國于利希研究中心發表公報：該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機。

2010年，中國科大—清華大學聯合小組成功實現了當時世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，傳輸距離達16公里。

2012年3月，IBM做到了在減少基本運算誤差的同時，保持量子比特的量子機械特性完整性。

2015年7月，中國科學院與阿里巴巴集團旗下阿里云共同成立“中國科學院—阿里巴巴量子計算實驗室”，開展在量子信息科學領域的前瞻性研究。

2016年8月，我國自主研制的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”成功升空。

2017年9月29日，世界上首條量子保密通信干線—“京滬干線”正式開通。“京滬干線”與“墨子號”量子科學實驗衛星成功對接，首次實現了洲際量子保密通信。