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2月27 日,“2017 年度中国科学十大进展”在京发布,“墨子号”量子科学实验卫星位居榜首；1 月10 日,中科院院士、中国科学技术大学教授、“墨子号”首席科学家潘建伟在第48 届量子电子物理学大会上,获颁兰姆奖（Willis E. LambAward）；2017 年12 月19 日,潘建伟入选《自然》杂志评选的“2017 年度改变世界的十大科学人物”,被称为“让量子通信驰骋于天地之间的物理学家”.《华尔街日报》针对中国科技的高速发展给出了标题为“沉寂了一千年,中国誓回发明创新之巅”的专题文章,将“墨子号”量子科学实验卫星作为中国创新能力提升的重要标志.
全国政协委员、中国科学院院士潘建伟在全国期间表示,他和团队正研发新一代卫星量子通信技术,计划5 年内研制并发展中高轨量子通信卫星.中高轨量子通信卫星将实现全天时星地量子通信及星间量子通信,建立与地面城域光纤量子通信网络的无缝连接,初步实现能够业务化运行的广域量子通信网络服务.
该团队另一工作重点是在地面构建范围更广的光纤量子通信网络—“国家广域量子保密通信骨干网”.他认为通过10 年左右,量子通信网络将具备覆盖千家万户的条件.
为配合“十三五”规划中明确提出的要在量子信息科技领域部署重大科技项目,该院成立了量子信息与量子科技创新研究院,初步凝聚国内相关优势研究力量、开展协同攻关,以保持和扩大中国在这一领域的领先优势.
中国领跑量子保密通信
2016 年8 月16 日1 时40 分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空.
2017 年1 月18 日,我国发射的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了4 个月的在轨测试任务,正式交付用户单位使用.在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发、千公里级星地高速量子密钥分发和千公里级地星量子隐形传态.“墨子号”的主要应用目标是通过卫星和地面站之间的量子密钥分发,实现星地量子保密通信,并通过卫星中转实现可覆盖全球的量子保密通信.“墨子号”可以在千公里外的外太空以10kbps 的速率给地面站分发量子密钥,比地面同距离光纤量子通信水平提高了15 个数量级以上.该项技术突破不仅使得我国具备了对光纤无法覆盖的地区—如我国的南海诸岛、驻外使领馆、远洋舰艇等—直接提供高安全等级量子通信保障的能力,并为我国未来构建覆盖全球的天地一体化量子保密通信网络提供可靠的技术支撑.
“墨子号”的另一前沿研究目标是在量子物理基本问题检验领域：即通过千公里量级的量子纠缠分发,首次在空间尺度检验量子力学的非定域性,并利用量子纠缠在地面和卫星之间实现量子隐形传态.通过“墨子号”的星地纠缠分发,能够在相距1200 公里以上的两个地面站之间以1 对/ 秒的速度建立起量子纠缠,将使得人类首次具有在空间尺度开展量子科学实验的能力,并为未来在外太空开展广义相对论、量子引力等物理学基本原理的检验做好了坚实的技术准备,成为我国在基础物理学领域对世界的又一重要贡献.
“墨子号”成功发射后,极大激起了公众对量子科技的浓厚兴趣.包括英国《自然》杂志、美国《科学》杂志、《科学美国人》、英国《新科学家》《纽约时报》、英国广播公司（BBC）等众多国际知名学术和公共媒体都对“墨子号”进行了专题报道,美国国家航天局（NASA）也在其上对“墨子号”发射任务给出了详细的介绍.2016 年底,“墨子号”等重大成果共同入选英国《自然》杂志点评的年度国际重大科学事件；“墨子号”作为唯一诞生于美国本土之外的创新技术入选《科学美国人》评选的2016 年度“改变世界的十大创新技术”.
2017 年世界首个远距离量子保密通信骨干网“京沪干线”正式开通.“京沪干线”连接北京、上海,贯穿济南、合肥,全长2000 余公里,全线路密钥率大于20kbps,满足上万用户的密钥分发业务需求,可为沿线金融机构、政府部门等提供高安全等级的量子保密通信业务支持.结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路,中国和奥地利之间通过“墨子号”量子卫星在国际上首次成功实现了距离达7600 公里的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现了加密数据传输和视频通信.
“实现信息安全传输,是人类几千年来的梦想,但经验告诉我们,没有好的加密技术,信息传输总是会被,信息安全每天都遭受着很大的威胁,但是量子通信在原理上可以提供一种不能、不能窃听的信息安全传输方式,在国防、政务、金融等方面,甚至我们每天的银行转款、个人隐私的保护等方面,都可以起到比较好的作用.”潘建伟说.
我国科学家自主研制的量子通信装备,已经为60 周年国庆阅兵、党的“十八大”“十九大”、纪念抗战胜利70 周年阅兵等国家重要政治活动提供了信息安全保障.中国银监会银行业监管信息报送、中国人民银行人民币跨境收付信息管理系统、中国工商银行网上银行数据异地灾备系统、阿里巴巴商业数据加密传输等,用的都是量子保密通信技术.据了解,山东、安徽、陕西、山西等地都在积极推动量子通信技术的应用.
全球“量子霸权”争夺战
所谓“量子霸权”（quantum supremacy）,是美国加州理工学院物理学家 John Preskill发明的新词.通俗的解读是：超级计算机目前的计算能力相当于拥有5 到20 个量子位的量子计算机,但当量子芯片的量子位达到约49个以上时,量子计算机的能力会彻底地将超级计算机甩在身后.
美国斯坦福大学量子物理学家帕特里克·海登3 月8 日接受新华社记者采访时提出了一个新颖观点：“量子霸权是个模糊的里程碑.”海登认为,目前对量子霸权的界定并不足够明确.首先,量子计算机中有一个特殊的种类是“量子模拟计算机”,它可以直接模拟一些系统的物理特性,已经超出了传统计算机模拟相关系统的能力.虽然量子模拟计算机仍有一些缺点,难以实用,但海登还是认为：“从这个角度来说,这些系统可能已经实现了量子霸权.”
第二,在计算能力上与传统计算机的比较结果可能难以验证.海登说：“谷歌的72 量子比特处理器可能具有很强的计算能力,以至于传统方法无法模拟.也就是说,这场实验给出的答案,在传统机器上是无法验证的,所以我们很难确定谷歌的设备是否做得正确.”
海登指出,实现量子霸权还需要量子处理器在读出和逻辑运算时的错误率足够低,一台很快但错误率很高的量子计算机,还不如传统意义上的超级计算机.
对于量子计算,潘建伟认为,“举个例子,如果我们能够操纵100 个粒子的话,它对某些特定问题的求解方面,计算能力可以达到全世界计算能力总和的100 万倍,是一个非常强大的计算工具,可以解决传统经典计算机所解决不了的问题,比如气象预报、药物设计以及物理材料的设计等.”
潘建伟表示,在国家的高度重视和大力支持下,我国在量子科技发展上形成了非常明显的特色.“在量子保密通信方面的研究,我们在国际上是处于一个全面领先的地位,而量子计算也在国际学术界牢牢地占据了一席之地.”2017 年5 月3 日,中国科学院在上海发布了世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机原型机诞生.这是由中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组攻关突破的成果.这次一共发布了两个量子计算机的原型,一种基于超导,一种基于光学.
针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机,是历史上第一台超越早期经典计算机的量子模拟机,比国际同行类似的实验加快至少24000 倍,5 月2 日,该研究成果以长文的形式在线发表于《自然光子学》.
什么是量子计算机？曾有人打过一个比方：如果现在传统计算机的速度是自行车,量子计算机的速度就好比飞机.使用亿亿次的“天河二号”超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组,所需时间为100 年.而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组,仅需0.01 秒.在中国《“十三五”国家科技创新规划》中,量子计算机已被列入科技创新2030 重大项目.去年,中国曾宣布说,要在合肥建设世界最大的量子计算研究中心,占地37 公顷,投资高达760 亿元.它的目标就是开发出量子计算机,可以用于军事领域,量子计算机可以在数秒之内,让潜水艇以隐形模式在水下航行3 个月以上.
由于量子计算具有改变世界的巨大潜力,美国、欧盟等竞相加大对量子计算研究的投入,各研究机构、科技巨头、初创企业等争相投身这场全球竞赛.此前业界有观点认为,2018 年可能会有研究机构实现量子霸权,不过目前还没有任何一家机构公开宣称已经达到这个目标.去年10 月,美国国会举办听证会,讨论如何确保“美国在量子技术领域的领先地位”.IBM 投入30 亿美元研发量子计算等下一代芯片,微软公司与多所大学共建量子实验室.
欧盟从2018 年开始,投入10 亿欧元实施“量子旗舰”计划.英国在牛津大学等高校建立量子研究中心,投入约2.5 亿美元培养人才.荷兰向代尔夫特理工大学投资1.4 亿美元研究量子计算.
日本计划10 年内在量子计算领域投资3.6亿美元.加拿大已投入2.1 亿美元资助滑铁卢大学的量子研究.澳大利亚政府、银行等出资8300 万澳元在新南威尔士大学成立量子计算公司.
量子计算的领先者谷歌在2017 年4 月份宣布推出49 量子位处理器.Google 首席科学家John Martinis 曾公开表示：为率先登顶“量子霸权”,他所带领的团队正在利用49量子比特模拟系统攻克经典计算机无法解出的难题.日前谷歌又发布72 量子比特处理器“狐尾松”（Bristlecone）,称其有望在未来实现“量子霸权”.
IBM 开发出一台50 量子比特的量子计算机原型机,有望在2021 年前推出首个在金融领域的量子计算应用.这无疑是对Google 的“量子霸权”算法提出挑战.另一方面,IBM至今未公布“量子计算原型机”的详细性能和测试结果.
日本NTT 公司研发出超高性能新型量子计算机,可瞬间解析复杂算法.英特尔推出17量子位的超导量子芯片,推动量子计算迈入半导体产业.
阿里巴巴子公司阿里云和中科院合作于2015 年成立了“阿里巴巴量子实验室”,准备在2025 年之前开始打造量子计算机.2017年10 月11 日,杭州· 云栖大会期间,“达摩院”支持研发的量子技术领域迎来了首个重量级发布—“量子计算云平台”上线.
2018 年2 月,中科院量子信息与量子科技创新研究院与阿里云宣布,在超导量子计算方向发布11 比特的云接入超导量子计算服务.据了解,这是继IBM 后全球第二家向公众提供10 比特以上量子计算云服务的系统.该服务已在量子计算云平台上线,在云端实现了经典计算仿真环境与真实量子处理器的完整后端体验.通过量子计算云平台,用户可上传测试运行各种量子计算线路代码,并下载相关运行结果.
今年3 月初,百度也宣布成立量子计算研究所,开展量子计算软件和信息技术应用业务研究,悉尼科技大学量子软件和信息中心创办主任段润尧教授出任百度量子计算研究所所长,直接向百度总裁张亚勤汇报.段润尧表示,将全力推动“百度量子、量子百度”的研究规划,计划五年时间里在百度组建世界一流的量子计算研究所,并在之后五年将量子计算逐渐融入百度的业务中来.
“整个业界都在全速前进,建造越来越复杂精密的系统,以找到能充分证实自己实现量子霸权的方法.”海登说.在分析“狐尾松”处理器的特点时海登还说：“抛开量子霸权,谷歌72 量子比特处理器非常适合演示量子纠错,非常适合演示如何将逻辑量子比特存储在物理量子比特中,用一种强健的方式延长它们的使用寿命.”
“量子纠错将是全功能量子计算系统一个至关重要的特征,”海登说,如果在量子纠错方面取得突破,“意味着这种系统未来将可以在实践中应用,这与量子霸权一样激动人心！”
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参考文献：
1、 抢占计算机和通信设备未来产业制高点 一、发展背景与基础当前,在云计算、大数据、物联网、移动互联网、智能制造……新兴领域崛起的推动下,我国计算机与通信领域整体表现良好,新技术、新产品、新应用、新模式、新业态不断涌现,重点企业加快转型,计算.
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