我们的征途是“星辰大海”(下)

　　20世纪，“第一次量子革命”孕育出激光、半导体、核能等技术，发展出光通信、电子计算机、手机、互联网等改变人类文明进程的重大应用，对我们的生活方式产生了巨大影响。进入21世纪，以“量子调控”为特征的“第二次量子革命”拉开序幕，这次量子革命将会给人类文明带来更巨大的进步。目前，我国在“第二次量子革命”中已抢占前沿：成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，成功实现千公里级星地量子纠缠分发、星地量子密钥分发和星地量子隐形传态；成功开通世界首条量子保密通信干线—“京沪干线”；成功研发世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机。

　　“墨子号”：世界上第一颗空间量子科学实验卫星

　　通信安全是国家信息安全和人类经济社会生活的基本需求。千百年来，人们对于通信安全的追求从未停止。然而，基于计算复杂性的传统加密技术，在原理上存在着被破译的可能性。随着数学和计算能力的不断提升，经典密码被破译的可能性与日俱增。量子通信基于量子物理学的基本原理，克服了经典加密技术内在的安全隐患，是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，可以从根本上解决国防、金融、政务、商业等领域的信息安全问题。目前，基于光纤的城域和城际量子通信技术正在走向实用化和产业化，我国在这方面已经走在了世界前列。但是由于光纤的固有损耗以及单光子状态的不可复制性，目前点对点光纤量子通信的距离难以突破百公里量级。因此，要实现广域乃至全球化的量子通信网络，还需要借助卫星的中转。“墨子号”正是在这种大背景下应运而生的。

　　2016年8月16日，我国成功发射了全球第一颗空间量子科学实验卫星—“墨子号”，意味着在世界上率先实践量子通信。“墨子号”一举突破了光量子的传输距离难以突破百公里级这一瓶颈，开创了利用卫星千公里传送量子信息的先河，也将量子通信推到了实用的当口。我国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟说：“如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的‘网’，那么‘墨子号’就像一杆将这张网射向太空的‘标枪’。‘天地网’织就后，海量信息将实现‘无条件’安全。”“墨子号”由中国科学技术大学、中国科学院微小卫星创新研究院、中国科学院上海技术物理所等多家单位合作研制，是由我国科学家自主研制的。为什么取名“墨子号”呢？哲学家、墨家学派创始人墨子是一位鲜为人知的科学家。《墨经》里记载了世界上第一个“小孔成像”实验，该实验解释了小孔成倒像的原因，而这正是现代照相技术原理的起源。这个实验指出了光是沿着直线传播的，也是第一次对光的直线传播进行科学解释—这在光学中是非常重要的一条原理，为量子通信的发展打下了基础。用“墨子号”来命名量子卫星，和卫星本身的意义相符，也体现了我们的文化自信。

　　“墨子号”自上天以来，不仅在国际上第一次成功实现千公里级的星地双向量子通信，提前完成预先设定的量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大科学任务，而且结合“京沪干线”首次成功实现洲际量子保密通信，为我国继续引领世界量子通信技术发展奠定了坚实的基础。

　　“墨子号”任务之一：星地量子纠缠分发―验证世界谜题

　　量子力学建立初期，“纠缠”这个现象就引起了所有物理学家的好奇，爱因斯坦将其称为“遥远地点之间的诡异互动”。通俗地说，两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”，无论相隔多远，一个量子状态发生变化，另一个也会改变。过去的大半个世纪里，这种现象背后的本质一直深深困惑着科学家们。

　　星地量子纠缠分发作为“墨子号”卫星的三大科学实验任务之一，是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。中国科学家通过“墨子号”卫星，从太空将一对相互“纠缠”的量子“分发”到青海德令哈和云南丽江两个地面站，发现在两个相距超过1203公里的实验站之间，量子的“纠缠效应”仍然有效，并通过数千对量子的实验，检验了这一成果。“墨子号”量子科学实验卫星在千公里级的空间尺度上实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。“墨子号”卫星在世界上第一次实现千公里级的量子纠缠，将量子通信实用化进程向前推进了一大步。

　　“墨子号”任务之二：量子密钥分发―构建不可窃听和破译的通信方式

　　量子密钥分发通过量子态的传输，使在遥远两地的用户共享无条件安全的密钥，并利用该密钥对信息进行一次一密的严格加密，这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。

　　“墨子号”量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号、地面接收的方式。“墨子号”分别与河北兴隆、奥地利格拉茨地面站进行了星地量子密钥分发，通过指令控制卫星作为中继，建立了兴隆地面站与格拉茨地面站之间的共享密钥。科学家利用“墨子号”卫星，在中国和奥地利之间首次实现距离达7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信，成功举行了75分钟的中国科学院和奥地利科学院洲际量子保密视频会议。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力。

　　“墨子号”任务之三：量子隐形传态—“星际穿越”不再是梦想

　　时空穿越一直是人类的梦想。在量子世界中，这种时空穿越的现象真的存在，这就是“墨子号”的第三个实验—量子隐形传态。量子隐形传态是一种全新的通信方式。通俗来讲，就是将甲地的某一个粒子的量子态信息在乙地的另一个粒子上还原出来，就好像是进行了一场“星际穿越”，但粒子本身并未被传送。1997年，奥地利安东·塞林格团队率先完成量子隐形传态实验，当时年轻的潘建伟也是团队成员之一。现在我国科学家通过“墨子号”量子卫星，首次实现千公里级的量子隐形传态，为未来开展空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。

　　“京沪干线”：世界首条量子保密通信干线

　　2017年9月29日，世界首条量子保密通信干线—“京沪干线”正式开通。当日，结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路，我国科学家成功实现了洲际量子保密通信。这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形，向未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。建成后的“京沪干线”，连接北京、上海，贯穿济南和合肥，形成全长2000多公里的量子通信骨干网络，并通过北京接入点实现与“墨子号”的连接。“京沪干线”全线路密钥率大于20千比特/秒，可满足上万用户的密钥分发业务需求，已实现北京、上海、济南、合肥、乌鲁木齐和奥地利科学院6点间的洲际量子通信视频会议。

　　2017年9月29日下午，在“京沪干线”北京控制中心，中国科学院院长白春礼使用量子加密视频会议系统，分别与合肥、济南、上海、乌鲁木齐等地成功地进行了通话。随后，白春礼又通过“墨子号”量子科学实验卫星与奥地利地面站的卫星量子通信，并与奥地利科学院院长安东·塞林格进行了世界首次洲际量子保密通信视频通话。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公里以外的欧洲。

　　“京沪干线”与“墨子号”卫星，已成功构建出我国的天地一体化广域量子通信网络雏形。以“京沪干线”为基础，我国将推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的大规模应用，建立完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统，最终构建基于量子通信安全保障的量子互联网。此外，“京沪干线”的建成和开通也将吸引和培育一批量子保密通信领域的上下游企业，使量子保密通信产业成为我国重要的战略性新兴产业。世界首台量子计算机原型机在中国诞生2017年11月，美国IBM公司宣布推出全球首款50个量子比特的量子计算机原型机，量子计算领域的竞争进入关键阶段。在IBM公司宣布成果的半年前，即2017年5月3日，我国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学潘建伟院士及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组，成功构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机原型机，实现10个超导量子比特纠缠，在操纵质量上也是全球领先。这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。

　　为什么要研究量子计算机？从1970年到2005年，正如摩尔定律预测的一样，每18个月集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍，计算机的性能也相应提升近一倍。但2005年后这种趋势就开始放缓，极其微小的集成电路面临散热等问题考验。如果按这个趋势继续发展，当集成电路的尺寸接近原子级别的时候，电子的运动也不再遵守经典物理学规律，这个时候量子力学将起到主导作用。量子计算利用量子相干叠加原理，在原理上具有超快的并行计算和模拟能力，计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。传统计算机要100年才能破解的难题，量子计算机可能仅需1秒。由于量子计算的巨大潜在价值，欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源，开展协同攻关，同时，大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也强势介入量子计算研究。

　　如果“量子称霸”实现，人类计算能力将迎来飞跃，接下来会在多个领域推广。一些行业巨头已经盯上了量子计算未来应用：阿里巴巴建立了量子计算实验室；中国科学院与阿里云合作发布量子计算云平台；IBM宣布计划建立业界首个商用通用量子计算平台，还与摩根大通等公司合作，计划在2021年前推出首个在金融领域的量子计算应用。

　　“我相信量子技术在21世纪的重要性可与上个世纪的‘曼哈顿计划’相比。”潘建伟院士说。也就是说，量子技术可能像“曼哈顿计划”造出原子弹那样改变世界格局。

　　本刊记者

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