窺見未來的量子革命

文 俞靈琦

量子通信、量子傳感、量子計算等新興科技的蓬勃發展，將對世界產生巨大影響。

如今，量子技術是世界各國量子競爭的焦點。隨著量子信息學等交叉科學的飛速發展，“第二次量子革命”悄然來臨。

那么，承載量子技術精粹的“量子互聯網”離我們還遠嗎？

被視為“決定未來的技術”

何為量子互聯網？它其實是一種運用量子力學原理搭建起來的互聯網，能夠使絕對安全的網絡通信成為可能。

量子密鑰分發網絡是量子互聯網的初級形態，其高級形態將是全量子網絡，是用量子隱形傳態或量子糾纏交換技術作為鏈接，將用戶、量子計算、量子傳感等節點連為一體，產生、傳輸、使用量子資源的一個網絡。其將用于量子通信、量子傳感及量子計算。

在量子互聯網的幫助下，用戶將有望在一個絕對安全的通信網絡上發送信息。

眼下，因其強大的能力、廣泛的應用前景，量子新興技術被視為“決定未來的技術”。

對于量子技術的優越性，來自“潘之隊”的超導量子計算負責人朱曉波教授認為，超導體具有零損耗特質，半導體平面印刷工藝成熟，超導量子比特容易耦合與控制，且超導量子方案中尚沒有發現原則性的困難，這些都是超導量子計算的優勢。

“量子世界給我們帶來了新希望。”朱曉波說。

與經典計算模式不同，量子計算能力隨可操控的量子比特數呈指數增長，實現50比特的相干操縱，便有望實現所謂的“量子優越性”—即在特定問題的處理上，能力將超過超級計算機。

對于當前量子技術發展的現狀，朱曉波教授表示，量子網絡和計算技術目前處于發展初期，現階段各國都在發展基于可信中繼的量子通信網絡，同時積極儲備“量子互聯網”后續階段的基礎技術。

目前超導量子計算的國際前沿水準是Google的53量子比特、保真度99.4%的超導量子系統。朱曉波教授透露，中國科大今年預計可以實現60量子比特、99.5%保真度的超導量子系統，而5年后，希望能將這一數字提高到千個量子比特，10年后達到百萬量子比特。

眼下，在這個大數據時代，全球數據量呈指數增長，現代社會對計算有著巨大的需求，而目前人類所擁有的計算能力卻還相當有限。因此，量子通信、量子傳感、量子計算等新興科技的蓬勃發展，將對世界產生巨大影響。

“墨子號”升空，量子技術落地

眼下，西方諸國在整合科研資源對量子技術進行布局、不斷加大相關投入。全球量子競賽愈發劇烈，我國面臨著前所未有的機遇與挑戰。

作為“墨子號”量子糾纏源載荷主任設計師，印娟教授認為在量子領域，我國起步較晚，但過去二十年間，發展迅速，特別在量子保密通信領域，中國已經成為國際領跑者。

眼下，在量子通信的國際賽跑中，中國屬于后來者。經過多年的努力，中國已經躋身于國際量子信息研究行列，在城域量子通信技術方面也走在了世界前列，建設完成合肥、濟南等規模化量子通信城域網，“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網也竣工。

然而，這只是開始。中國量子衛星科學家潘建偉院士認為，在城市范圍內，通過光纖構建城域量子通信網絡是最佳方案。但要實現遠距離甚至全球量子通信，僅依靠光纖量子通信技術是遠遠不夠的。

“通過發射衛星，去除干擾因素，就可以實現幾千公里的量子通信。”潘建偉說，有了量子衛星，還可以在宏觀距離上檢驗所謂的量子力學的非局域性，也就是“幽靈般的超距作用”。

2016年8月16日，我國科研團隊自主研發的“墨子號”衛星發射升空，兩年時間完成了既定科學目標—量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗、量子密鑰分發、量子隱形傳態。由于其優異的性能表現，“墨子號”將超長服役2年，開展進一步的拓展實驗。

前不久，“墨子號”度過了自己的4歲生日。對于“墨子號”的意義，印娟介紹，量子保密通信要從實驗室走向廣泛應用，遠距離傳輸問題是需要解決的重要挑戰之一。光纖由于存在固有的光子損耗，且與環境耦合會致使糾纏品質下降，因此光量子傳輸難以通過光纖向遠距離拓展。而基于空間平臺（例如衛星）的自由空間量子通信，是實現長距離安全通信的一種途徑。基于衛星，無論地面兩點相距多遠，損耗僅發生在地面站和衛星之間，等效大氣厚度只有10公里級。

“由于充分的技術積累，‘墨子號’表現出超過預期的優異性能，除了完成既定的科學目標外，還完成了多項拓展實驗。”印娟談道。例如，實現相隔7600公里的洲際量子通信實驗（北京至維也納）；實現基于糾纏的量子密鑰分發，把無中繼量子密鑰分發的安全距離提升到1000公里，且即使衛星被他方控制也能夠實現密鑰的安全分發；利用量子衛星在地球引力場中對嘗試融合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗；實現星地高精度安全時頻傳遞等等。

在量子技術日趨成熟的今天，我們可以預見，量子互聯網將會為當前互聯網帶來更多新的變化。眼下，“墨子號”是我國量子網絡取得突破的一個里程碑。接下來，我們更需要思考，如何利用量子網絡的完全可擴展性和豐富的量子信息處理能力，將其與其他產業融合，為未來中國科技的創新與發展帶來更多的可能。