耕耘16年

耿婷婷

作為科技領(lǐng)域最先進(jìn)的保密手段，量子通信在水下科研儀器的數(shù)據(jù)安全傳輸上將大有可為。

繼人工智能、區(qū)塊鏈之后，近日，“量子科技”這個(gè)原本稍顯“冷門”的科學(xué)名詞刷屏了，成為備受矚目的前沿科技領(lǐng)域。目前，許多人對(duì)它的了解可能還只是限于想象層面。其實(shí)，早在10多年前青島就有學(xué)者開啟了該領(lǐng)域的研究。

2004年，師從中國(guó)科學(xué)院院士、量子信息學(xué)家郭光燦的顧永建，從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士畢業(yè)，來(lái)到中國(guó)海洋大學(xué)，成為青島研究量子科技的“第一人”。

青島量子科技的研究有哪些成果？量子科技將如何投入應(yīng)用？現(xiàn)任中國(guó)海洋大學(xué)信息學(xué)院教授、副院長(zhǎng)的顧永建給出的答案是兩個(gè)字：海洋。

在青耕耘16載，顧永建通過(guò)引進(jìn)人才、在國(guó)內(nèi)較早為本科生開設(shè)量子信息課程、培養(yǎng)研究生等方法，現(xiàn)已形成30多人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，讓青島的量子科技研究往前邁進(jìn)了一大步。

2018年，圍繞量子科技在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用，中國(guó)海洋大學(xué)牽頭成立了海洋量子技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，聘任郭光燦院士為專家委員會(huì)主任。這個(gè)中心的關(guān)注領(lǐng)域與顧永建團(tuán)隊(duì)的研究方向高度契合，均以海洋為特色需求。以海洋量子通信與量子感知、量子計(jì)算和量子智能為研究和發(fā)展方向，基于量子信息原理、技術(shù)和成果研發(fā)海洋量子通信和傳感技術(shù)、海洋量子計(jì)算和量子智能的量子算法和量子軟件，推動(dòng)海洋信息感知和傳輸、海洋大數(shù)據(jù)處理和計(jì)算的量子化、智能化及高性能實(shí)現(xiàn)。

要探討量子科技的意義，顧永建提到的第一個(gè)應(yīng)用方向是量子通信?；诹孔恿W(xué)的特性，量子通信在信息安全和信道容量等方面突破了經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。

這是量子科技領(lǐng)域最接近應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)。在量子通信領(lǐng)域，近幾年的標(biāo)志性應(yīng)用是我國(guó)首顆量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射成功。顧永建用最通俗的語(yǔ)言給記者“翻譯”道，“墨子號(hào)”連接了天、地之間的量子通信，而青島的量子通信研究所關(guān)注的是沒(méi)有被覆蓋的領(lǐng)域——水下量子通信?！按笱笏掠泻芏嘀T如傳感器、航行器、潛艇等海洋監(jiān)測(cè)設(shè)施，它們探測(cè)和了解海洋，將收集的數(shù)據(jù)回傳以供研究。這些數(shù)據(jù)需要高度保密?！鳖櫽澜ㄕf(shuō)，“作為科技領(lǐng)域最先進(jìn)的保密手段，量子通信在水下科研儀器的數(shù)據(jù)安全傳輸上將大有可為?！?/p>

到目前，顧永建團(tuán)隊(duì)對(duì)水下量子通信的一些關(guān)鍵技術(shù)研究已取得突破并開始承擔(dān)重要研制任務(wù)。“下一步，我們將繼續(xù)發(fā)力水下量子通信技術(shù)的研究，為真正實(shí)現(xiàn)量子通信對(duì)空、天、地、海的全面網(wǎng)絡(luò)覆蓋作出貢獻(xiàn)?！鳖櫽澜ㄕf(shuō)。

提到量子科技，不能不提的還有量子計(jì)算。1981年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼曾說(shuō)：“自然界并不像經(jīng)典物理學(xué)描述的那樣。要想模擬自然，最好用量子力學(xué)。”這番話提出了借助量子力學(xué)打造一種新型計(jì)算機(jī)的想法，解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。這就是量子計(jì)算機(jī)的萌芽。

“在量子力學(xué)里有很多與‘直覺(jué)不符的現(xiàn)象，比如一個(gè)粒子，可以同時(shí)處于兩個(gè)位置?！鳖櫽澜ㄕf(shuō)，“這就給計(jì)算提供了新的、效率更高的量子方案，一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于0和1的狀態(tài)，這種并行特性使得量子計(jì)算機(jī)在處理特定問(wèn)題上會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)?！?/p>

量子計(jì)算的優(yōu)越性在海洋上同樣“奏效”。海洋廣袤無(wú)邊，蘊(yùn)藏著無(wú)數(shù)研究的“可能性”，在海洋領(lǐng)域的研究也是青島科技創(chuàng)新的“王牌”之一。以中國(guó)科學(xué)院院士、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任、中國(guó)海洋大學(xué)副校長(zhǎng)吳立新院士擅長(zhǎng)的海洋動(dòng)力學(xué)、氣候動(dòng)力學(xué)等研究領(lǐng)域?yàn)榇恚浔澈蠖夹枰獜?qiáng)大的計(jì)算能力支撐。這正是顧永建團(tuán)隊(duì)在海洋研究領(lǐng)域進(jìn)行量子計(jì)算應(yīng)用的重要意義。

顧永建說(shuō)，隨著研究的深入，海洋上對(duì)于“海浪”“海流”等現(xiàn)象的研究都對(duì)大數(shù)據(jù)、超算能力提出了更高需求。通過(guò)量子計(jì)算，可以大幅提升海洋動(dòng)力過(guò)程的計(jì)算速度，為海洋動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的研究賦能。值得關(guān)注的是，在量子計(jì)算領(lǐng)域，顧永建團(tuán)隊(duì)依托海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室超算平臺(tái)已取得一些重要成果。

去年，他們助力本源量子研制成功具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量子虛擬機(jī)并部署在國(guó)產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)神威太湖之光超算平臺(tái)上，可以進(jìn)行三種運(yùn)行模式的虛擬量子計(jì)算。

此外，對(duì)于海洋藥物領(lǐng)域的研究，量子計(jì)算也大有可為。顧永建說(shuō)，利用計(jì)算機(jī)輔助海洋藥物的研發(fā)，能夠加快新藥研發(fā)的速度，節(jié)省大量的人力和物力。量子計(jì)算的強(qiáng)大特性，無(wú)疑可以大大提升海洋藥物的研發(fā)過(guò)程。下一步，該團(tuán)隊(duì)將在海洋藥物篩選的量子算法研制方面進(jìn)行布局。

成果來(lái)源于人才。十幾年來(lái)，顧永建一直致力于量子團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，為青島的量子科技研究引入高層次人才。畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的肖芽25歲就在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)進(jìn)展》《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表過(guò)成果，在基于參量光糾纏的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，她的工作被評(píng)審專家譽(yù)為“代表了線性量子光學(xué)的最先進(jìn)技術(shù)”。在顧永建的努力下，肖芽被中國(guó)海洋大學(xué)“青年英才工程”第三層次破格引進(jìn)，這意味著青島的量子科技研究在量子實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的水平大幅提高。

在顧永建眼里，量子科技是一項(xiàng)前沿科技，又是一項(xiàng)“基礎(chǔ)”科技，可以給各行各業(yè)的研究賦能。他舉例道，在海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的組織下，團(tuán)隊(duì)將邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和華中科技大學(xué)的專家共同探索，把量子傳感技術(shù)用于海洋領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋溫度、磁場(chǎng)、壓力等參量的高靈敏度測(cè)量。“我希望以我們團(tuán)隊(duì)為紐帶，為青島的量子科技研究引入全國(guó)‘智庫(kù)，推動(dòng)量子科技的發(fā)展。”顧永建說(shuō)。

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