量子革命引發(fā)新一輪科技競(jìng)賽中國(guó)衛(wèi)星立于潮頭

2016-08-16 14:01 作者：黃堃、楊駿、林小春、張家偉、郭洋新華網(wǎng) 責(zé)任編輯：孫勁貞

摘要：中國(guó)16日成功發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，使得量子信息技術(shù)再次進(jìn)入聚光燈下。中國(guó)衛(wèi)星成功發(fā)射，將執(zhí)行星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

新華社北京8月16日電中國(guó)16日成功發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，使得量子信息技術(shù)再次進(jìn)入聚光燈下。國(guó)際學(xué)術(shù)界著名的《自然》網(wǎng)站相關(guān)報(bào)道說(shuō)，在這場(chǎng)“特殊的太空競(jìng)賽”中，中國(guó)“邁出了一大步”。

放眼全球，歐盟4月宣布將量子技術(shù)作為新的旗艦科研項(xiàng)目，迎接“第二次量子革命”；美國(guó)白宮7月建議加大對(duì)量子信息科學(xué)的投入，稱這是“國(guó)家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇”。

第二次量子革命

大約一百多年前，我們生活在一個(gè)很正常、經(jīng)典的宇宙里，一切都合乎常情，沒有什么奇怪表現(xiàn)。隨后，量子理論出現(xiàn)了。

突然間，事物的表現(xiàn)不再總是合乎一個(gè)理性的人的料想了。在微觀尺度上，一個(gè)粒子可以同時(shí)處于兩個(gè)地方，甚至可以同時(shí)向兩個(gè)不同的方向運(yùn)動(dòng)。而且粒子之間可以互相糾纏——通過(guò)某種方式即時(shí)地遠(yuǎn)程感知、影響對(duì)方。

起源于1900年普朗克所提理論的量子力學(xué)，描述了這些看似魔法的物理現(xiàn)象。這套理論不斷獲得實(shí)驗(yàn)支持，在一百多年里催生了許多重大發(fā)明——原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等，改變了世界面貌。歐盟今年4月宣布將量子技術(shù)作為新的旗艦科研項(xiàng)目，在公告中稱上述成果為“第一次量子革命”。

量子信息技術(shù)是量子力學(xué)的最新發(fā)展，代表了正興起的“第二次量子革命”。在量子信息技術(shù)中，最具代表性的是量子通信和量子計(jì)算。中國(guó)的量子衛(wèi)星就是全球領(lǐng)先的量子通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不過(guò)在重點(diǎn)介紹量子通信之前，先來(lái)看看量子計(jì)算的威力。

依照量子理論研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)將具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，速度快過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)億萬(wàn)倍。其原因之一是，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的每個(gè)比特位只有0和1兩種狀態(tài)，而一個(gè)量子比特位可以有多個(gè)狀態(tài)。美國(guó)航天局、谷歌公司等機(jī)構(gòu)在2015年宣布，合作開發(fā)的D－Wave量子模擬機(jī)對(duì)某些問(wèn)題的求解速度已達(dá)到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的1億倍。雖然這還不被國(guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)為是真正的量子計(jì)算機(jī)，但量子計(jì)算的巨大潛力已然展露無(wú)遺。

量子攻防戰(zhàn)

量子計(jì)算給保密帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。中科院量子卓越創(chuàng)新中心的陸朝陽(yáng)教授告訴新華社記者，現(xiàn)在國(guó)防、金融等領(lǐng)域廣泛使用的通信密碼都是基于數(shù)學(xué)上的計(jì)算復(fù)雜度，等到大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)真正面世的時(shí)候，在超強(qiáng)的計(jì)算能力面前，這些密碼系統(tǒng)就都會(huì)失效。

打個(gè)比方，量子計(jì)算便如可攻破一切傳統(tǒng)保密系統(tǒng)的“利矛”。

“上帝關(guān)閉了一扇門，但又打開了一扇窗，”陸朝陽(yáng)說(shuō)，同樣源自量子理論的量子通信技術(shù)又為保密提供了新手段。它的基礎(chǔ)是物理規(guī)律，比如在用一個(gè)光量子傳遞信息時(shí)，由于單光子已是最小單元，竊聽者無(wú)法通過(guò)截取“半個(gè)光子”來(lái)獲取信息；而竊聽者試圖對(duì)這個(gè)光子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，量子測(cè)不準(zhǔn)原理又導(dǎo)致這個(gè)光量子的狀態(tài)發(fā)生改變，這使竊聽必然被察覺并被通信雙方規(guī)避。客觀物理規(guī)律是沒有人能改變的，也就是說(shuō)，量子通信成為保密領(lǐng)域新的“堅(jiān)盾”。

目前，量子通信的主要應(yīng)用方式是量子密鑰分配，也就是俗稱的量子密碼，即用量子通信方式來(lái)傳輸密碼。此外，還有一個(gè)探索中的前沿領(lǐng)域是量子隱形傳態(tài)，它利用量子糾纏原理，可以瞬間把量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)地點(diǎn)，接近于一些科幻小說(shuō)中描寫的“遠(yuǎn)程傳送”。

新一輪科技競(jìng)賽

“我相信量子技術(shù)在21世紀(jì)的重要性可與上個(gè)世紀(jì)的曼哈頓計(jì)劃相比，”中科院量子卓越創(chuàng)新中心主任、中國(guó)量子衛(wèi)星項(xiàng)目首席科學(xué)家潘建偉院士說(shuō)。也就是說(shuō)，量子技術(shù)可能像曼哈頓計(jì)劃造出原子彈那樣改變世界格局。

由于量子通信和量子計(jì)算的巨大前景，各個(gè)大國(guó)都在競(jìng)相發(fā)展相關(guān)技術(shù)。歐盟今年4月宣布，投入10億歐元支持量子技術(shù)，這是歐盟繼石墨烯和腦科學(xué)之后的第三個(gè)旗艦型科研項(xiàng)目。該項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)者之一、德國(guó)整合量子科學(xué)和技術(shù)中心負(fù)責(zé)人托馬索·卡拉爾科說(shuō)，在歐盟確定頭兩個(gè)旗艦項(xiàng)目時(shí)，量子技術(shù)入選的時(shí)機(jī)不如現(xiàn)在成熟。因?yàn)槟鞘窃谒怪Z登揭露美國(guó)的大規(guī)模監(jiān)聽活動(dòng)之前。現(xiàn)在歐洲希望有更具保密性的通信技術(shù)。

美國(guó)白宮也剛剛在7月底發(fā)布官方博文，援引美國(guó)國(guó)家科技委員會(huì)7月提出的報(bào)告《推進(jìn)量子信息科學(xué)：國(guó)家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》，建議加大對(duì)量子信息科學(xué)的投入。實(shí)際上，美國(guó)多個(gè)政府部門如國(guó)防部、航天局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)等早就對(duì)量子信息技術(shù)研究大量投入。尤其是NIST得到美國(guó)政府高強(qiáng)度和穩(wěn)定的支持，每年獲得大量經(jīng)費(fèi)。在過(guò)去10余年間，NIST在量子調(diào)控和量子信息領(lǐng)域產(chǎn)生了5名諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。

許多高科技公司也在量子技術(shù)方面大量投入。如谷歌與美國(guó)航天局、加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校聯(lián)合成立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室，并推出了量子計(jì)算機(jī)開發(fā)計(jì)劃；2014年，IBM宣布將于隨后5年內(nèi)在以量子計(jì)算技術(shù)為重點(diǎn)的一些領(lǐng)域投入30億美元；還有一些相對(duì)較小的科技公司也嶄露頭角，比如Battele公司正在運(yùn)行美國(guó)第一個(gè)商業(yè)化的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)。

中國(guó)衛(wèi)星引領(lǐng)潮流

中國(guó)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星升空，將首次在太空開展與量子通信和量子計(jì)算相關(guān)的諸多實(shí)驗(yàn)，特別是將打造一張?zhí)斓匾惑w化的量子通信網(wǎng)。在激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)中，“第一顆量子衛(wèi)星”的頭銜來(lái)之不易。

“量子通信的競(jìng)賽自1995年在日內(nèi)瓦湖底進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的最初演示時(shí)就開始了，”美國(guó)波士頓大學(xué)的量子物理學(xué)家亞歷山大·謝爾吉延科告訴新華社記者，他指的是歐洲在全世界最早進(jìn)行了量子通信實(shí)驗(yàn)。潘建偉院士最初也是到奧地利師從量子科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威專家蔡林格教授。蔡林格團(tuán)隊(duì)曾在歐洲申請(qǐng)發(fā)射衛(wèi)星，但審批過(guò)程不順利，現(xiàn)在成為中國(guó)量子衛(wèi)星項(xiàng)目的合作方。

在亞洲，新加坡科學(xué)家在2014年曾嘗試發(fā)射“立方體衛(wèi)星”。這是一類微型衛(wèi)星，也能用于一些量子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，盡管與中國(guó)的量子衛(wèi)星相比功能要弱很多。但不幸的是，承擔(dān)發(fā)射任務(wù)的美國(guó)軌道ATK公司的火箭在2014年10月那次任務(wù)中爆炸。

中國(guó)衛(wèi)星成功發(fā)射，將執(zhí)行星地高速量子密鑰分發(fā)、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)、星地量子糾纏分發(fā)以及地星量子隱形傳態(tài)等多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。《自然》雜志相關(guān)報(bào)道說(shuō)，中國(guó)在這場(chǎng)“特殊的太空競(jìng)賽”中走在了前面。蔡林格也表示，中國(guó)衛(wèi)星的成功，也將促使其他國(guó)家的量子衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)更容易獲得資助和支持。

潘建偉科研團(tuán)隊(duì)是這個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目中的中堅(jiān)力量，他們還主導(dǎo)了今年下半年將交付使用的“京滬干線”量子通信網(wǎng)，這也將是全世界規(guī)模最大的量子通信網(wǎng)。可以說(shuō)，在量子通信研究和應(yīng)用方面，中國(guó)現(xiàn)在是世界的排頭兵。

由于此前的量子技術(shù)實(shí)驗(yàn)都是在地上完成，中國(guó)的量子衛(wèi)星還可能為科學(xué)理論研究帶來(lái)新的突破。陸朝陽(yáng)說(shuō)，萬(wàn)一量子力學(xué)的某些規(guī)律在太空中發(fā)生變化的話，“那就打開了新的物理學(xué)的大門”。(記者黃堃、楊駿、林小春、張家偉、郭洋)

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