中国科学院院士潘建伟详解“量子称霸”时间表

“10年到20年”、“50年到100年”,这些数字从侧面反映了潘建伟对量子通信发展的谨慎及远虑。这与A股量子概念股闻风暴涨相映成趣。

在27日举行的“2016年上海院士峰会”上,中国科学院院士潘建伟表示,在量子通信领域,希望通过10到20年的努力,构建一个天地一体(星地)的全球化量子通信网络;通过50年甚至100年时间,最终构建基于量子安全保障的未来通信网络。

10到20年构建全球星地量子通信

量子理论从诞生起就跟信息科技紧密相连,催生了计算机、互联网,现在又为解决大数据时代计算能力不足、信息安全瓶颈做好了准备,进入了量子信息科学时代。

潘建伟在峰会上表示,量子即构成物质的最基本单元,包括分子、原子、光子等,不仅可处于二进制状态下的0和1状态,还可处于中间叠加状态;基于其不可分割及叠加原理(量子叠加状态下无法测量和无法精确复制),可实现原理上无条件安全的通信,即量子通信。但鉴于量子态传输的复杂性,在网络中实现量子态的传输也许还要50年甚至100年。

潘建伟介绍,在经典通信领域,利用量子的不可分割和叠加原理,进行量子秘钥的分发,来实现安全的通信。“鉴于不可分割,窃听者无法对光子进行分割获取信息,如果移走则改变其存在状态,我们就知道秘钥丢失了。”

但量子秘钥分发及传输也面临诸多挑战。一是光源及探测器的不完美导致秘钥不安全,准单光子源(弱光脉冲)只能发出近似单光子,易于被窃听者截获,且成码率非常低(每1000秒内发送一个码)。潘建伟介绍其团队通过诱骗态量子秘钥分发、测量器件无光的量子秘钥分发解决了上述问题。二是光量子信息处理面临远距离光纤损耗过大、与环境的耦合会使纠缠品质下降、效率低下等挑战,光纤中信号无法放大,即使采用最先进的手段要实现千公里的量子秘钥传输,平均每100年才能传输0.3个光子。

目前,潘建伟团队采用可信中继站和星地量子通信两条路径来实现量子秘钥传输。在可信中继站探索上,通过中继器放大信号,保证秘钥的传输与安全,潘建伟团队与工商银行合作的量子京沪干线有望年底建成,可有效拓展通信距离。星地量子通信方面,潘建伟团队通过实验,验证了微弱的量子态在穿越大气层后是可有效保持的,且做到每秒可以传送1万个秘钥,千公里距离量级损耗为40kbps,并于8月16日发射了星地量子卫星墨子号。

“目前看来,星地量子传输是成熟、实用的技术,但我们希望最终在地面实现几千公里的量子通信。”潘建伟介绍,“我们希望通过10到20年的努力,构建一个天地一体的全球化量子通信网络,最后构建基于量子安全保障的地面通信网络。”为此,潘建伟团队正在进行量子中继的验证。截至目前,其团队已实现500公里量级的量子中继。

专用量子模拟计算机尚需10年努力

量子信息科学的另外一个重要应用是量子计算,可实现计算能力的飞跃。基于量子的叠加特性,量子计算机可实现并行的分布式量子信息处理,同时对2的N次方个数进行数学运算,这相当于经典计算机重复实施2的N次方操作。这种分布式计算可大大提高运算能力、缩短运算时间,适用于大数据及人工智能领域。比如,求解10的24次方变量的方程组,目前最快的太湖之光超级计算机需要100年左右计算时间,但用量子计算机大概需要0.01秒。

鉴于巨大的潜在应用价值,量子计算成为国际上的研究热点。潘建伟介绍,今年5月美国国家科学基金会(NSF)将“下一代量子革命”作为未来六大科研前言之一。今年4月,欧盟宣布将投入10亿欧元支持量子技术旗舰项目。国际巨头如谷歌、IBM、微软也已介入量子计算的研究中。

但潘建伟表示,真正实现可编程的、通用量子计算机,可能需要30年甚至50年。潘建伟认为,目前构建一个简单的、只能计算一种问题的量子模拟计算机(而非通用的)是比较可行的。潘建伟期望通过5到10年的能力,实现50量子位的量子模拟计算。

在可扩展量子信息处理上,超冷原子量子调控成为研究热点,通过将超冷原子装到光晶格中,可方便地实现基于超冷原子量子调控的模拟量子计算。潘建伟团队近期已实现约600对超冷原子的纠缠态,向基于超冷原子的可扩展量子计算和量子模拟迈出重要一步。

潘建伟说,在量子计算上,希望通过将近10年努力产生100对粒子的纠缠,在特定问题的求解上,实现计算能力达到现有全球计算能力的百万倍。