中國(guó)的量子科技現(xiàn)狀：通信領(lǐng)先，計(jì)算和測(cè)量有待追趕

  ICC訊 對(duì)大眾來說，“量子”已經(jīng)不是一個(gè)陌生的詞，但一些商家的誤導(dǎo)和過度宣傳，讓這個(gè)詞變得不那么純粹。“遇事不決，量子力學(xué)”這句調(diào)侃的話，道出了這個(gè)領(lǐng)域的尷尬境地。

  真正有技術(shù)含量的量子科技應(yīng)該是怎么樣的?目前量子科技主流的研究方向，是量子力學(xué)和信息科學(xué)的交叉學(xué)科——量子信息。

  實(shí)際上，以量子信息為代表的量子科技，正在推動(dòng)著第二次量子革命。第一次量子革命主要是利用微觀粒子系統(tǒng)的物理規(guī)律，誕生了半導(dǎo)體、激光和核能等新技術(shù)領(lǐng)域。而第二次量子革命，則是通過直接觀測(cè)和操控微觀粒子系統(tǒng)，對(duì)量子信息進(jìn)行運(yùn)用。

  和信息技術(shù)包含信息獲取、處理和傳遞三個(gè)部分類似，對(duì)量子信息的運(yùn)用，可細(xì)分為量子測(cè)量、量子計(jì)算和量子通信。這其中，量子通信和量子計(jì)算最受關(guān)注，但量子測(cè)量同樣具有極大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景。那么，在這三個(gè)領(lǐng)域中，中國(guó)目前處于什么樣位置?

  圖片來自于銳觀咨詢?cè)诹孔油ㄐ蓬I(lǐng)域處于領(lǐng)先地位

  所謂量子通信，即利用微觀粒子的特性，對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密。值得注意的是，這里所說的“量子通信”本質(zhì)上是一種新的加密手段，而信息的傳輸方式仍是常規(guī)手段(如光纖)。

  中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳宇翱介紹，建立量子保密通信的終極目標(biāo)，就是建立覆蓋全國(guó)乃至全球范圍的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。目前世界上比較公認(rèn)的路線圖是：先利用光纖在城市內(nèi)構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，然后利用中繼連接城市。在超遠(yuǎn)距離，通過衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。

  中國(guó)已經(jīng)率先走完了整個(gè)路線圖。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽表示，在量子通信領(lǐng)域，“我國(guó)是全面領(lǐng)先于歐洲和美國(guó)的”。

  專利數(shù)量體現(xiàn)了這一優(yōu)勢(shì)。據(jù)中國(guó)信息通信研究院統(tǒng)計(jì)，中國(guó)最近幾年申請(qǐng)量子通信相關(guān)的專利相當(dāng)多，高于美國(guó)和日本。由于早期中國(guó)專利申請(qǐng)量較少，所以目前中國(guó)專利授權(quán)量少于美國(guó)，但未來會(huì)繼續(xù)上升。

  專利之外，中國(guó)實(shí)實(shí)在在地在量子通信領(lǐng)域取得不少突破?？破罩袊?guó)一篇文章寫道，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，量子通信的安全傳輸距離，只有 10 公里量級(jí)，因此學(xué)術(shù)界曾經(jīng)認(rèn)為量子密碼學(xué)基本已經(jīng)到頭了，沒有太大前途。2003 至 2005 年期間，韓國(guó)和中國(guó)科學(xué)家提出了一種新的協(xié)議，使得安全傳輸距離可以提高到百公里的量級(jí)。從此之后，量子通信蓬勃發(fā)展，而中國(guó)獲得了領(lǐng)先地位，大部分的新紀(jì)錄都是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的。

  說到中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，肯定繞不開潘建偉團(tuán)隊(duì)。早在 2003 年，該團(tuán)隊(duì)就提出，利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的方案。這方案于 2011 年底正式立項(xiàng)，并在 2016 年 8 月 16 日走出里程碑式的一步：中國(guó)發(fā)射了世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。

  基于“墨子號(hào)”衛(wèi)星，潘建偉團(tuán)隊(duì)在 2017 年 8 月完成了三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，比預(yù)想提前了一年多。這標(biāo)志著中國(guó)率先掌握了星地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

  2017 年 9 月 29 日，中國(guó)開通了世界首條量子保密通信干線“京滬干線”。這條量子通信保密干線全長(zhǎng) 2000 多公里，連接了北京和上海，貫穿濟(jì)南和合肥，共有 32 個(gè)量子通信節(jié)點(diǎn)。

  雖然量子加密的方式不可破解，但通信節(jié)點(diǎn)卻是可以被攻破的。曾經(jīng)有過論文提出，通過攻擊節(jié)點(diǎn)的信源端來盜竊量子密碼。簡(jiǎn)而言之，就是用物理手段來攻擊量子通信所需的設(shè)備，而非數(shù)學(xué)意義上的破解密碼。也就是說，“京滬干線”在工程層面上，其實(shí)是有理論上漏洞的。當(dāng)然，這種漏洞也可以通過工程手段來解決，比如加強(qiáng)設(shè)備安全性。

  事實(shí)上，利用“墨子號(hào)”進(jìn)行量子通信，也有安全隱患。基于常規(guī)傳輸方式進(jìn)行信息傳輸，“墨子號(hào)” 衛(wèi)星掌握著用戶分發(fā)的全部密鑰，倘若衛(wèi)星被他方控制，就存在信息泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。不過，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)于 2020 年 6 月發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)成果解決了這個(gè)問題。

  該團(tuán)隊(duì)利用量子糾纏的特性，只在地面站用戶端對(duì)量子進(jìn)行測(cè)量，糾纏源(衛(wèi)星)不掌握密鑰任何信息，即使衛(wèi)星被他方劫持了，密鑰也不會(huì)泄漏。在該論文之前，基于衛(wèi)星糾纏的分發(fā)，效率低下、錯(cuò)誤率高，不足以支持量子密鑰分發(fā)。該團(tuán)隊(duì)通過對(duì)地面站望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，升級(jí)主光學(xué)和后光路，解決了衛(wèi)星糾纏分發(fā)效率低的問題。

  最終，他們借助 “墨子號(hào)”，在相隔 1120 公里的兩個(gè)地面站之間，成功實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。即使在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下，通過物理原理依然能實(shí)現(xiàn)安全量子通信?！蹲匀弧冯s志審稿人對(duì)這一成果的評(píng)價(jià)是：“這是構(gòu)建全球化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步?！?

  不管怎么說，有了“京滬干線”和“墨子號(hào)”，意味著中國(guó)初步構(gòu)建了天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。在此基礎(chǔ)上，中國(guó)得以推動(dòng)量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

  就“京滬干線”而言，已經(jīng)被用于金融、政府和國(guó)防等領(lǐng)域的加密數(shù)據(jù)傳輸。一些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，也可通過阿里云使用云上量子通信加密服務(wù)?！澳犹?hào)”的產(chǎn)業(yè)化難度相對(duì)較高，過去配合“墨子號(hào)”使用的量子衛(wèi)星地面站，體積龐大，重達(dá)十幾噸，難以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

  2019 年 12 月 30 日，中國(guó)自主研發(fā)的首個(gè)小型化可移動(dòng)量子衛(wèi)星地面站(重量?jī)H 80 多公斤)，與“墨子號(hào)”對(duì)接成功，實(shí)現(xiàn)了量子技術(shù)產(chǎn)品化的突破，中國(guó)量子通信有望進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的時(shí)代。

  在建設(shè)“墨子號(hào)”和“京滬干線”項(xiàng)目過程中，潘建偉團(tuán)隊(duì)通過成果轉(zhuǎn)化培育了一家商業(yè)公司——國(guó)盾量子。2017 年起，美國(guó)將量子通信相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品和器件列入出口管制名單，國(guó)盾量子希望靠自主研發(fā)，保障項(xiàng)目關(guān)鍵元器件的供應(yīng)。

  2020 年 7 月，國(guó)盾量子作為 A 股“量子通信第一股”上市，當(dāng)天收盤價(jià)較發(fā)行價(jià)上漲 10 倍，足見中國(guó)資本市場(chǎng)對(duì)量子通信技術(shù)的追捧。不過，整體而言量子通信依然是一種新技術(shù)，現(xiàn)階段還處于產(chǎn)品推廣期。

  在量子計(jì)算和量子測(cè)量領(lǐng)域，仍待追趕

  量子計(jì)算是指利用量子力學(xué)原理來處理信息，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)被稱之為量子計(jì)算機(jī)。1981 年，美國(guó)物理學(xué)家查德費(fèi)曼提出，原則上，人們可以設(shè)計(jì)一種計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過量子力學(xué)特性來工作。經(jīng)典計(jì)算機(jī)的信息單位是比特，而量子計(jì)算機(jī)基于量子比特。

  經(jīng)過幾十年的發(fā)展，研究者們已經(jīng)搭建起整個(gè)量子計(jì)算的理論體系。目前研究的重點(diǎn)，是把理論研究進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士、本源量子副總裁張輝介紹，從量子計(jì)算角度看，中國(guó)和美國(guó)至少還有 4~5 年的差距。

  據(jù)中國(guó)信息通信研究院統(tǒng)計(jì)，在專利層面，美國(guó)不管是申請(qǐng)量還是授權(quán)量，都穩(wěn)居前列。中國(guó)專利申請(qǐng)量在 2018 年超過了美國(guó)，但授權(quán)量與美國(guó)仍有不少差距。

  一些關(guān)鍵成果都是美國(guó)企業(yè)率先做出了突破。2019 年初，IBM 推出了 20 個(gè)比特的量子計(jì)算原型機(jī)，并且已經(jīng)開始售賣。2019 年 10 月，《Nature》雜志刊登了 Google 關(guān)于“實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性”的論文。Google 制造出了 53 個(gè)量子比特?cái)?shù)的量子計(jì)算機(jī)，同樣的計(jì)算量，量子計(jì)算機(jī)用 200 秒就完成了，而目前最強(qiáng)的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，要花費(fèi) 10000 年才能完成。

  目前，中國(guó)的學(xué)界和業(yè)界正努力縮短和美國(guó)的差距。在學(xué)界，浙江大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院組成的團(tuán)隊(duì)，于 2019 年 8 月研發(fā)出了一枚具有 20 個(gè)量子比特的量子芯片，并且成功操控其實(shí)現(xiàn)全局糾纏，刷新了世界紀(jì)錄。此前，固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特，最多是 12 個(gè)。

  在業(yè)界，大公司如騰訊、阿里巴巴、百度和華為，創(chuàng)業(yè)公司如本源量子，都在量子計(jì)算上有所建樹。其中，阿里巴巴在 2017 年 5 月宣布，造出了第一臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)。2018 年 5 月，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室，研制出了全球最強(qiáng)量子點(diǎn)路模擬器“太章”。而本源量子在 2020 年 9 月 12 日，上線了中國(guó)首個(gè)接入實(shí)體量子計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算云平臺(tái)。被接入的量子計(jì)算機(jī)叫“悟源”，除了外層制冷機(jī)由國(guó)外供應(yīng)商提供外，其他部件都是本源量子自主研發(fā)，或由國(guó)內(nèi)廠商制造。

  這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)只能提供 6 個(gè)量子比特，對(duì)標(biāo)的是 IBM 在 2017 年在云端發(fā)布的 5 比特量子計(jì)算機(jī)。目前，IBM 在云平臺(tái)上提供了 50 個(gè)量子比特的計(jì)算系統(tǒng)。

  量子通信和量子計(jì)算之外，量子信息學(xué)科還有另外一個(gè)重要方向——量子測(cè)量。經(jīng)典測(cè)量方法受限于種種因素，測(cè)量精度提升面臨瓶頸。而量子測(cè)量通過利用量子體系(如原子和光子)的量子特性或現(xiàn)象，如疊加態(tài)、糾纏態(tài)、相干等，可以突破經(jīng)典力學(xué)框架下的測(cè)量極限，實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量，比如中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)利用量子測(cè)量技術(shù)，把定位精度提高到非常高的程度。

  如上文所說，量子通信和量子計(jì)算在輿論場(chǎng)有較高聲量，而量子測(cè)量的公眾認(rèn)知度相對(duì)較小，但普通人首先能用上的量子科技，或許就是量子測(cè)量相關(guān)成果。

  據(jù)中國(guó)信息通信研究院統(tǒng)計(jì)，與量子通信和量子計(jì)算相比，量子測(cè)量領(lǐng)域的專利申請(qǐng)和研究論文總量偏少，但近年來呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。從地域上看，美、中、日的專利申請(qǐng)量較多，且中國(guó)在 2018 年趕超了美國(guó)，但綜合實(shí)力仍不及美國(guó)。

  中國(guó)的研究多集中在高校和科研機(jī)構(gòu)，如北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及中國(guó)航天科工三院 33 所，其中中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)剛剛?cè)〉靡豁?xiàng)重要科研進(jìn)展。

  據(jù)新華社 2020 年 10 月 20 日?qǐng)?bào)道，潘建偉、陸朝陽等人與美國(guó)普林斯頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)的學(xué)者合作，在同時(shí)具備高純度、高效率的單光子源器件上觀察到強(qiáng)度壓縮，為實(shí)現(xiàn)基于單光子源的量子精密測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

  總的來說，以量子信息為代表的第二次量子革命中，中國(guó)處于競(jìng)爭(zhēng)的第一梯隊(duì)。在量子通信領(lǐng)域，中國(guó)領(lǐng)先于世界。而在量子計(jì)算和量子測(cè)量領(lǐng)域，中國(guó)仍需追趕。