量子革命：开启未来科技“新引擎”

　　“你好！”9月29日，从中国发出的一声问好，通过量子保密“京沪干线”，又经过“墨子号”卫星，跨越了半个地球来到奥地利。这是历史上首次洲际量子保密通信，通话内容经过量子加密后，理论上无法破解。

　　一次简短的通话，留下浓墨重彩的一笔。如此长距离、实用化的量子保密通信，意味着覆盖全球的量子通信网络已离我们越来越近。量子卫星上天、量子计算云平台启动、“京沪干线”启航，在这场“第二次量子革命”中，微观世界的这些中国“探梦者”，正在寻找开启未来科技的“新引擎”。

　　量子通信：

　　一场反监听的安全大戏

　　最开始，人类结绳记事；然后，用语言和文字沟通；再后来，手机、网络成为必需品。信息传输，早已从如何传输，走入了“如何安全传输”的年代。而在这场比电影更精彩的现实大戏中，有两个人贡献了两幕高潮。

　　斯诺登说，有人在监听。

　　潘建伟说，他们听不懂。

　　中国科学技术大学、杏林苑和滨湖新区……2008年10月，这三个合肥市内本不相干的点，因为一次实验连接在了一起。它们仨因为组成了三节点可扩展的量子通信网络，实现了全球首个量子保密电话系统建设，而被永久载入史册。

　　随后，五节点，四十六节点，合肥、济南城域网，“京沪干线”……量子通信网在不断扩展。随着量子卫星的发射成功，量子通信网络真正升至“广域”“洲际”传播，为信息保密传输画上了“天地一体”的注脚。

　　9月29日下午，中国科学院院长白春礼与奥地利科学院院长安东·塞林格通过量子保密通信网络进行了一次视频通话。这次通话使用的量子密钥，信号是这样“走”的：先通过“京沪干线”北京控制中心与“墨子号”卫星兴隆地面站的连接，打通天地一体化广域量子通信的链路，然后通过“墨子号”与奥地利地面站的卫星量子通信，来到7000多公里以外的欧洲。

　　从百公里级的实验，到千公里级的实际应用，中科院量子信息与量子科技创新研究院研究团队不断取得突破，先后攻克了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控等关键技术难题。

　　“能够进行这么长距离、多节点的量子保密通信，尤其是国外节点并非由我们建设，说明‘天地一体’量子通信网络是稳定、兼容的，可以实用化。”“京沪干线”项目首席科学家潘建伟院士说。

　　“京沪干线”这条连接北京、上海，贯穿济南和合肥的量子通信骨干网络，全长2000余公里，可满足上万名用户的密钥分发业务需求。通过这条线路，多家银行和企业都实现了京沪异地数据的量子加密传输等应用。

　　由于量子具有“不可分割”、“测不准”、“不可克隆”等特性，量子保密通信在原理上是绝对安全、不可破解的。科学家这样解释：首先，由于“不可分割”，窃听者无法分割出半个量子进行测量；其次，测量必然会改变量子的状态，窃听者也不能截取量子之后，去测量它的状态，因为这样窃听行为会暴露；第三，未知的量子态无法被精确复制，窃听者即使截取了量子，也不能精准复制量子状态来窃听，得到的只能是“伪码”。

　　量子计算：

　　秒杀超级计算机的未来引擎

　　10月11日，量子计算云平台“中国版”正式启动，量子计算的商业化落地近在咫尺。这一云平台，由中科院与阿里云合作发布。据介绍，这是为用户提供量子计算的起点，希望推动量子计算产业化，实现三方面的愿景：一是提升现有计算，包括提升机器学习、组合优化等性能，带动基于这些核心计算的业务；二是赋能新兴产业，营造量子信息技术的生态系统；三是扩充安全，加强已有的量子加密通信技术，使用量子卫星，推出基于量子密码的安全计算。

　　将量子计算商业化，已经是全球业界的共识。2016年，IBM就向公众开放了一款基于云的量子计算平台——“Quantum Experience”，用户登录后能使用一台5量子比特的量子计算机进行算法或实验模拟；2017年3月，又宣布计划建立业界首个商用通用量子计算平台IBM Q。

　　让更多人参与到量子计算的探索和研究中，无疑可以加快其突破的速度；但量子计算也并非是“万能”的，其目的主要是用来处理过于复杂和发展太快，以至于传统计算系统无法处理的各种问题。潘建伟说，目前云平台提供25量子比特的经典计算仿真环境，2017年底基于10个超导量子比特的量子计算将上线。

　　中国科学技术大学教授朱晓波是10个超导量子比特纠缠的主要实现者之一。他告诉记者，量子计算有两条实现路径，一是通用量子计算，这是非常艰难的，需要实现量子容错等。而在计算深度和比特有限的情况下，能否制造一个模拟机，在某些特定问题上，比超级计算机更快，就成了现在的路径。“我们将10个超导量子比特的量子处理器接入云端，希望大家都参与，试图打通科研到应用。”

　　“量子计算发展的进程比我想象得要快得多。”潘建伟说，中国科学家已经在实验室实现了目前已知的所有量子算法的验证。团队将在今年底发布一台可上网的、基于超导量子比特的量子计算机；希望到明年，完成对更多数目的量子比特高精度操纵。最终，计算能力将超越目前最强大的超级计算机，实现“量子称霸”。实现后可用于很多实用性的研究，例如研究量子退火的机制，实现高效全局的最优搜索，使得指挥交通、理解图像等更加简便、迅速。

　　“量子革命”：

　　中国量子人如何回答爱因斯坦“百年之问”？

　　信息技术的发展，很大程度上是量子力学奠定了根本的基础。通过对量子力学理论的观测和应用，催生了第三次产业变革，同时也带来了两个问题。

　　一是安全性的问题。信息传输过程中，所有依赖计算复杂度的经典加密算法，原则上随着计算能力的提高，都是会被破解的。信息安全的瓶颈日益凸显。

　　二是大数据带来的计算能力瓶颈。要把数据中的有效信息提取出来，需要庞大的计算能力，否则数据就是垃圾。尽管现在每部手机的计算能力和当时“登月计划”中用到的是同等量级，但现在全世界的计算能力仍然是非常有限的，大约在2的80次方左右。进入纳米量级后，量子效应将起到主要的作用，原有的摩尔定律也将遇到瓶颈。

　　“非常有意思的是，量子力学同时为解决这些问题做好了准备，第二次量子信息革命正在加速到来。”潘建伟说，量子信息学将有三方面的应用：第一是利用量子通信提供原理上无条件安全的加密；第二是利用量子计算实现超快的计算能力，一个亿级变量的方程组计算，用现在最快的超级计算机也需要100年，而用量子计算机只需要0.01秒；第三是实现量子精密测量。

　　量子信息技术方兴未艾，这一领域的国际竞争也在不断加剧。近年来，欧美纷纷提出“第二次量子革命”计划，加大基础研究和产业发展方面的投入。2016年3月，欧盟委员会发布《量子宣言（草案）》，计划于2018年启动10亿欧元的量子技术项目。美国更是将“量子跃迁”作为“6大科研前沿”之一，认为人类正站在下一代量子革命的门槛上，量子力学正在导致变革性技术，必须加大投入促进交叉性基础研究。

　　对于量子时代的科学应用，中国“量子人”团队有着明确的科研路线图：通过量子通信研究，从初步实现局域量子通信网络，到实现多横多纵的全球范围量子通信网络；通过量子计算研究，为大规模计算难题提供解决方案，实现大数据时代信息的有效挖掘；通过量子精密测量研究，实现新一代定位导航等。（记者周琳 徐海涛 董瑞丰）

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