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中國欲打造全球量子通信網(wǎng)絡(luò) 研究進(jìn)展順利

摘要:目前,中國已斥資在部分城市建立量子通信網(wǎng),并且正在修建上千公里的量子通信“京滬干線”,今年7月份,還要發(fā)射量子通信衛(wèi)星。

  ICCSZ訊 無論是美國還是歐盟,企業(yè)家還是科學(xué)家,都對(duì)量子計(jì)算寄予厚望。歐盟在今年4月份剛宣布了10億歐元的量子項(xiàng)目。谷歌以及微軟等公司也在高調(diào)宣布投入量子計(jì)算。

  對(duì)于中國來說,與許多前沿技術(shù)處于落后狀態(tài)不同的是,在量子通信領(lǐng)域,中國處于世界領(lǐng)先位置。

  目前,中國已斥資在部分城市建立量子通信網(wǎng),并且正在修建上千公里的量子通信“京滬干線”,今年7月份,還要發(fā)射量子通信衛(wèi)星。

  簡(jiǎn)單來說,量子通信就是根據(jù)量子物理原理,提供一種全新方式對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和邏輯操作,并對(duì)光子、原子等微觀粒子進(jìn)行精確操縱,以確保通信安全和提升計(jì)算速度等。

  量子通信雖然不可能真的超光速,但其優(yōu)勢(shì)足以讓人類向往:通信更快,更加安全。信息安全是人類的剛需,量子通信理論上具有“無懈可擊”“無條件安全”的優(yōu)勢(shì),在軍事、金融和個(gè)人私密方面意義重大。

  中國欲打造全球量子通信網(wǎng)絡(luò)

  “傳統(tǒng)的通信加密和傳輸安全,都是依賴于復(fù)雜的算法。”中國科協(xié)副主席的量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉介紹。

  但是隨著計(jì)算能力的增加,在某種程度上,復(fù)雜的算法,肯定是會(huì)被破解的。而量子通信利用基于物理學(xué)的基本原理,利用微光世界的最小單元,在原理上將實(shí)現(xiàn)不會(huì)被破解的奇跡。

  今年46歲的潘建偉是國內(nèi)量子通信的領(lǐng)軍人物,浙江東陽人。2004年,其團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了五光子糾纏和終端開放的量子態(tài)隱形傳輸,這一成果被《自然》雜志發(fā)表,并同時(shí)入選英國物理學(xué)會(huì)和美國物理學(xué)會(huì)評(píng)選出的年度國際物理學(xué)重大進(jìn)展。

  此外,潘建偉的團(tuán)隊(duì)于2007年在國際上首次實(shí)現(xiàn)了安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā),2008年實(shí)現(xiàn)了國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò),2012年建成首個(gè)規(guī)?;?A href="http://m.huaquanjd.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%87%8f%e5%ad%90%e9%80%9a%e4%bf%a1&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">量子通信網(wǎng)絡(luò)。

  量子具有疊加性,即根據(jù)量子比特的物理性質(zhì),科學(xué)家們可以做到傳統(tǒng)芯片上晶體管用電流完成的事——也就是用0和1的二進(jìn)制來表示信息。但量子比特的特殊之處在于,它能夠呈現(xiàn)疊加狀態(tài),能同時(shí)表示0和1,處于疊加態(tài)的量子比特能以一種叫做量子糾纏的現(xiàn)象相互聯(lián)系,簡(jiǎn)單來說,就是一個(gè)量子比特的行為能瞬間影響到另一個(gè)量子比特。

  

 

  圖片來自“知識(shí)分子”公眾號(hào)。

  量子通信還有更神奇之處,理論上,甚至可以傳送物質(zhì)。潘建偉在一次演講中舉了一個(gè)例子。他說,如果自己在上海的航班延誤了,但要在幾分鐘之內(nèi)到北京,怎么辦?坐飛機(jī)肯定不行了,但是如果說北京和上海之間有他的兩團(tuán)糾纏物質(zhì)的話,就可以對(duì)上海的這個(gè)潘建偉和旁邊這種糾纏物質(zhì)進(jìn)行一種測(cè)量,把它都變成一個(gè)個(gè)糾纏粒子,那么我們會(huì)得到一組數(shù),通過無線電臺(tái)可以把它發(fā)射到北京。到了北京之后,可以對(duì)這團(tuán)物質(zhì)再做一種所謂的幺正變換,就可以用同樣多的物質(zhì)把它給重構(gòu)出來。

  

 

  圖片來自“知識(shí)分子”公眾號(hào)。

  回到現(xiàn)實(shí),如果,能制造出100個(gè)粒子相關(guān)操縱的量子計(jì)算機(jī),在某些問題方面的處理能力將會(huì)比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”還快百億億倍。

  有了這臺(tái)計(jì)算機(jī),我們的計(jì)算能力能增強(qiáng)多少?潘建偉也舉了個(gè)例子:要求解一個(gè)10的24次方的變量的線性方程組,用目前最快的天河2號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)大概需要100年左右的時(shí)間。而利用萬億次的量子計(jì)算機(jī),盡管計(jì)算的頻率比天河2號(hào)要慢1萬倍,但它只需要0.01秒就可以把這個(gè)方程給求解出來。所以它可以廣泛地應(yīng)用于藥物設(shè)計(jì)、金融分析、氣象預(yù)報(bào)、密碼分析等等,用途是比較大的。

  基于量子的這些特性,潘建偉團(tuán)隊(duì)希望通過量子通信研究,從初步實(shí)現(xiàn)局域量子通信網(wǎng)絡(luò),到實(shí)現(xiàn)多橫多縱的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò),以保證信息傳輸?shù)慕^對(duì)安全;通過量子計(jì)算研究,為大規(guī)模計(jì)算難題提供解決方案,實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時(shí)代信息的有效挖掘;通過量子精密測(cè)量研究,實(shí)現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等等。

  

 

  圖片來自“知識(shí)分子”公眾號(hào)。

  “京滬干線”預(yù)計(jì)今年下半年交付

  目前,國內(nèi)量子通信的研究進(jìn)展順利。今年7月,由中國科大、中科院上海技術(shù)物理研究所、中科院上海微小衛(wèi)星工程中心、中科院成都光電技術(shù)研究所等單位聯(lián)合研制的“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”將進(jìn)行發(fā)射。這顆衛(wèi)星,將在全球率先實(shí)現(xiàn)高速星地量子通信,連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò),初步構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)。

  同時(shí),國家發(fā)改委還在籌建“京滬干線”項(xiàng)目,用于國防安全的研究。目前,預(yù)計(jì)大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)工程將于2016年下半年交付。“京滬干線”總長2000余公里,從北京出發(fā),經(jīng)過河南、合肥,到達(dá)上海。利用這一廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò),京滬兩地的金融、政務(wù)等機(jī)構(gòu)能進(jìn)行保密通信。建成后,可以幫助國內(nèi)構(gòu)建可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò),建成大尺度量子通信技術(shù)驗(yàn)證、應(yīng)用研究和應(yīng)用示范平臺(tái)。

  “量子通信和量子計(jì)算都是屬于量子調(diào)控技術(shù)范圍。”潘建偉說,“目前,全世界計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力都非常弱。”

  潘建偉預(yù)測(cè),不到十年左右的時(shí)間,他們就能夠造出一種專用的量子計(jì)算機(jī)或者叫做量子模擬機(jī),在某些計(jì)算能力上要比目前最快的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快百億倍甚至更多。

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