各国踊跃发展量子科技 中国将迈量子通信第一步

8月中旬,如果气象条件合适,中国将发射全球首颗“量子实验卫星”,迈出量子通信网络建设的第一步。

此后,中国还将陆续发射卫星,建成全球第一个实现卫星和地面之间量子通信的国家。今年下半年,京沪量子通信干道也将建成,届时国内将初步形成广域量子通信体系。按照规划,到2020年,中国将实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发,届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到2030年左右,中国将建成全球化的广域量子通信网络。

各国围绕量子信息科学展开的科技竞赛已经打响,除中国外,美国、加拿大和新加坡等国也在积极部署该领域的研究。

  “十三五”科创规划提出建设量子通信和量子计算重点科技项目

量子力学描述的是在单个原子或次原子粒子尺度上,物质与能量行为和相互的作用。人类能够在大尺度上直观地理解粒子的集体效应,但量子行为则通常显得奇异和反常。这些特殊的量子现象包括量子叠加 (系统同时包含所有的可能测量结果,一旦某个测量发生,则结果将为定值)和量子纠缠(多粒子的叠加态,它们的属性相互关联影响)。

量子的特性打破了人们对正常世界的理解。目前量子信息领域的主要应用方向:一是量子通信,二是量子计算。在量子通信领域,与其他许多先进的前沿科技领域相比,中国已经处在全球领先地位。

8月8日,国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》(以下简称《规划》)中,更是提到部署量子通信和量子计算的重点科技项目。《规划》指出,面向2030年,再选择一批体现国家战略意图的重大科技项目,力争有所突破。从更长远的战略需求出发,坚持有所为、有所不为,力争在航空发动机及燃气轮机、深海空间站、量子通信与量子计算、脑科学与类脑研究等重点方向率先突破。

在量子通信和量子计算重大科技项目里,《规划》称,要研发城域、城际、自由空间量子通信技术,研制通用量子计算原型机和实用化量子模拟机。

  量子实验卫星

今年46岁的浙江东阳人潘建伟,是国内量子通信的领军人物。2004年,潘建伟团队在国际上首次实现了五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输,这一成果被《自然》杂志发表,并同时入选英国物理学会和美国物理学会评选出的年度国际物理学重大进展。

潘建伟的团队于2007年在国际上首次实现了安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发,2008年实现了国际上首个全通型量子通信网络,2012年建成首个规模化量子通信网络。

潘建伟还是此次量子实验卫星发射的主要负责人之一。据团队成员陆朝阳介绍,若首枚量子通信卫星顺利发射成功,中国将发射更多的卫星。若要实现覆盖全球的安全通信网络,大约需要20颗卫星。

左边为陆朝阳,右边为潘建伟

《Nature》报道称,中国量子实验卫星的核心是一个能够产生纠缠光子对的晶体,这些光子对无论相距多远,它们的属性仍然保持纠缠。卫星的首个任务是向北京和维也纳的地面站发射这些纠缠光子对,使用它们生成密钥。

这项任务为期两年,团队还计划在此期间执行名为贝尔测试的统计测量,以证明相距1200公里的粒子之间存在纠缠。根据量子理论预测任何距离之间都存在纠缠,但需要贝尔测试实际验证。此外,团队还将尝试“隐形传输”量子态,通过使用纠缠光子对以及以更加常规方式传输的信息,在新的位置重构光子的量子态。

潘建伟说希望通过量子通信研究,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,以保证信息传输的绝对安全;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等。

“量子通信和量子计算都是属于量子调控技术范围。”潘建伟说,“目前,全世界计算机的计算能力都非常弱。”

潘建伟预测,不到十年左右的时间,他们就能够造出一种专用的量子计算机或者叫做量子模拟机,在某些计算能力上要比目前最快的传统计算机快百亿倍甚至更多。

  各国备战量子信息技术

除了中国在紧锣密鼓地部署量子通信,寻求国际领先地位外,其他国家也在积极推进量子信息科学的研究。

美国国家科学技术委员会(NSTC)在7月份,发布了《推进量子信息科学:国家的挑战与机遇》的报告。报告中,美国国家科学技术委员会对量子信息科学的重要性,前瞻性进行了阐述,还介绍了美国在量子信息科学的研究发展状况。该委员会认为量子计算能有效推动化学、材料科学和粒子物理发展,未来可能最终会颠覆众多科学领域,人工智能也当属其中之一。

美国政府随即在官网发文,督促学术界、工业界和政府尽快就量子信息科学(QIS)议题进行交流,以保证量子信息研发的关键需求得到满足。目前,美国科技公司谷歌、IBM等已经在量子计算机领域有所投入。

欧洲国家也不甘自己在量子领域落后。今年4月份,欧盟委员会对外宣布,将斥资10亿欧元投入量子技术,希望这个项目“将会让欧洲处于第二次量子革命的前沿,未来10年在科学、产业和社会方面带来变革性的进展”。

加拿大也是量子领域不可忽视的力量。据《Nature》新闻杂志报道,加拿大的一直科研团队正提出在地面生成纠缠光子对,然后将其中部分发射至重量不到30公斤的微型卫星上。这比在太空生成光子便宜,加拿大量子加密与科学卫星(QEYSSat)团队成员,滑铁卢大学物理学家Brendon Higgins说,但是将光子发送到运动的卫星上将是一项挑战。该团队计划首先在飞机上使用光子接收器测试该系统。

除此之外,新加坡国立大学和英国斯特拉斯克莱德大学合作,利用重量为5公斤的卫星(也称为立方体卫星)开展量子实验。去年,该团队发射了一颗立方体卫星,在轨道中产生并测量“关联”光子对;他们希望在明年发射可以产生完全纠缠光子对的装备。

新加坡国立大学物理学家Alexander Ling在接受《Nature》的采访时认为,立方体卫星单个耗费仅10万美元,使太空量子通信易于实现。

评论一下