量子計算正從“玩具”變成“工具”

2021-01-07 tudou 互聯網
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原標題:量子計算正從“玩具”變成“工具”

  光量子干涉實物圖 受訪者供圖

  潘建偉

  中國科學院院士、中國科學技術大學教授

  量子通信未來的發展,一方面需要擴大量子通信網絡的有效覆蓋范圍,包括實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接、實現可支持千公里量級的量子中繼、發展下一代可全天時工作的量子衛星網絡等;另一方面,需要在工程化集成與驗證的實踐中推動核心器件的自主研發、相關應用標準的制定和規?;膽檬痉?。

  30多年前,在科學家們對量子疊加、量子糾纏等量子力學基本問題的研究過程中,精細的量子調控技術逐漸發展起來,使得人類從對量子規律的被動觀測跨越到對量子狀態的主動精確操縱,由此我們現在所說的“量子科技”便誕生了。

  量子科技是融合量子調控和信息技術而產生的新興學科。在這一領域,我國已經取得了一系列重要科學問題和關鍵核心技術突破,并在部分方向實現國際領先。我國量子科技將如何深化發展,自主創新科技體系將如何構建,從基礎研究到實用化、工程化的轉化之路將如何實現引領性突破?科技日報記者對中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉進行了專訪,請他談談對量子科技發展的思考。

  不會取代現有通信方式 量子通信將大幅提升信息安全水平

  科技日報記者:在“墨子號”量子科學實驗衛星發射升空后,我國科學家已經利用它取得了一系列研究成果,并成功將量子通信發展到了實用階段,這是否意味著,一種顛覆傳統的通信方式即將誕生?

  潘建偉:盡管量子通信是一個新興領域,但它并不是要取代現有的通信方式,恰恰相反,它將以一種新的途徑來大幅提高現有信息系統的安全性。

  現代信息安全體系的核心要素是密鑰,只要確保密鑰安全,就可以保證加密信息的安全。在傳統保密通信中,至今還沒有能嚴格證明其安全性的方法。

  但量子保密通信卻可以在已有公開信道中,通過量子密鑰分發實時產生密鑰并安全便捷地分配到用戶,使得在量子密鑰的傳輸過程中,如果信息被竊聽,竊聽者無法做到不留下痕跡。而且這一點是絕對的,是由量子力學基本原理所保證的。

  換句話說,量子保密通信是在傳統通信中使用量子密鑰以提升安全性,而非一種完全顛覆傳統的通信方式。

  科技日報記者:目前,我國已通過“墨子號”和“京滬干線”的實驗,構建了首個天地一體化的量子通信網絡雛形,我國量子通信也已經處于國際領先水平。那么,為持續保持引領地位,我國還需要在哪些方面著力?

  潘建偉:量子通信的發展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系。首先通過光纖實現城域量子通信網絡,進而通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接,最終通過衛星平臺中轉來實現遙遠區域之間的連接,這是廣域量子通信網絡的發展路線。

  按照這一路線,量子通信未來的發展,一方面需要擴大量子通信網絡的有效覆蓋范圍,包括實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接、實現可支持千公里量級的量子中繼、發展下一代可全天時工作的量子衛星網絡等;另一方面,需要在工程化集成與驗證的實踐中推動核心器件的自主研發、相關應用標準的制定和規?;膽檬痉?。

  有3個里程碑發展階段 通用量子計算機誕生或還需20年

  科技日報記者:除量子通信外,量子計算也得到了極高的關注,國內外均有企業聲稱已進入到量子計算領域,但同時也有觀點認為量子計算還很遙遠。對此您怎么看?

  潘建偉:量子計算研究是一個高度復雜的工作,對于學術界而言,還是要循序漸進,實現一個個階段性的目標。國際學術界公認的量子計算發展有幾個里程碑階段——

  第一個里程碑是實現量子計算優越性,即量子計算機對特定問題的計算能力超越超級計算機,這需要相干操縱約50個量子比特。2019年谷歌實現的量子計算原型機“懸鈴木”就包含53個超導量子比特,在求解隨機線路采樣問題上超越了超級計算機,也就是成功實現了量子計算優越性。但是,求解隨機線路采樣目前看來還沒有現實意義,現在的量子計算原型機更像是一個“玩具”,只能在玩某一個游戲方面擊敗經典計算機,它的重要意義在于,證明了量子計算機是可以超越經典計算機的。