量子革命：開啟未來科技“新引擎”

“你好！”9月29日，從中國發出的一聲問好，通過量子保密“京滬干線”，又經過“墨子號”衛星，跨越了半個地球來到奧地利。這是歷史上首次洲際量子保密通信，通話內容經過量子加密后，理論上無法破解。

一次簡短的通話，留下濃墨重彩的一筆。如此長距離、實用化的量子保密通信，意味著覆蓋全球的量子通信網絡已離我們越來越近。量子衛星上天、量子計算云平臺啟動、“京滬干線”啟航，在這場“第二次量子革命”中，微觀世界的這些中國“探夢者”，正在尋找開啟未來科技的“新引擎”。

量子通信：

一場反監聽的安全大戲

最開始，人類結繩記事；然后，用語言和文字溝通；再后來，手機、網絡成為必需品。信息傳輸，早已從如何傳輸，走入了“如何安全傳輸”的年代。而在這場比電影更精彩的現實大戲中，有兩個人貢獻了兩幕高潮。

斯諾登說，有人在監聽。

潘建偉說，他們聽不懂。

中國科學技術大學、杏林苑和濱湖新區……2008年10月，這三個合肥市內本不相干的點，因為一次實驗連接在了一起。它們仨因為組成了三節點可擴展的量子通信網絡，實現了全球首個量子保密電話系統建設，而被永久載入史冊。

隨后，五節點，四十六節點，合肥、濟南城域網，“京滬干線”……量子通信網在不斷擴展。隨著量子衛星的發射成功，量子通信網絡真正升至“廣域”“洲際”傳播，為信息保密傳輸畫上了“天地一體”的注腳。

9月29日下午，中國科學院院長白春禮與奧地利科學院院長安東·塞林格通過量子保密通信網絡進行了一次視頻通話。這次通話使用的量子密鑰，信號是這樣“走”的：先通過“京滬干線”北京控制中心與“墨子號”衛星興隆地面站的連接，打通天地一體化廣域量子通信的鏈路，然后通過“墨子號”與奧地利地面站的衛星量子通信，來到7000多公里以外的歐洲。

從百公里級的實驗，到千公里級的實際應用，中科院量子信息與量子科技創新研究院研究團隊不斷取得突破，先后攻克了高速量子密鑰分發、高速高效率單光子探測、可信中繼傳輸和大規模量子網絡管控等關鍵技術難題。

“能夠進行這么長距離、多節點的量子保密通信，尤其是國外節點并非由我們建設，說明‘天地一體’量子通信網絡是穩定、兼容的，可以實用化。”“京滬干線”項目首席科學家潘建偉院士說。

“京滬干線”這條連接北京、上海，貫穿濟南和合肥的量子通信骨干網絡，全長2000余公里，可滿足上萬名用戶的密鑰分發業務需求。通過這條線路，多家銀行和企業都實現了京滬異地數據的量子加密傳輸等應用。

由于量子具有“不可分割”、“測不準”、“不可克隆”等特性，量子保密通信在原理上是絕對安全、不可破解的。科學家這樣解釋：首先，由于“不可分割”，竊聽者無法分割出半個量子進行測量；其次，測量必然會改變量子的狀態，竊聽者也不能截取量子之后，去測量它的狀態，因為這樣竊聽行為會暴露；第三，未知的量子態無法被精確復制，竊聽者即使截取了量子，也不能精準復制量子狀態來竊聽，得到的只能是“偽碼”。

量子計算：

秒殺超級計算機的未來引擎

10月11日，量子計算云平臺“中國版”正式啟動，量子計算的商業化落地近在咫尺。這一云平臺，由中科院與阿里云合作發布。據介紹，這是為用戶提供量子計算的起點，希望推動量子計算產業化，實現三方面的愿景：一是提升現有計算，包括提升機器學習、組合優化等性能，帶動基于這些核心計算的業務；二是賦能新興產業，營造量子信息技術的生態系統；三是擴充安全，加強已有的量子加密通信技術，使用量子衛星，推出基于量子密碼的安全計算。

將量子計算商業化，已經是全球業界的共識。2016年，IBM就向公眾開放了一款基于云的量子計算平臺——“Quantum Experience”，用戶登錄后能使用一臺5量子比特的量子計算機進行算法或實驗模擬；2017年3月，又宣布計劃建立業界首個商用通用量子計算平臺IBM Q。

讓更多人參與到量子計算的探索和研究中，無疑可以加快其突破的速度；但量子計算也并非是“萬能”的，其目的主要是用來處理過于復雜和發展太快，以至于傳統計算系統無法處理的各種問題。潘建偉說，目前云平臺提供25量子比特的經典計算仿真環境，2017年底基于10個超導量子比特的量子計算將上線。

中國科學技術大學教授朱曉波是10個超導量子比特糾纏的主要實現者之一。他告訴記者，量子計算有兩條實現路徑，一是通用量子計算，這是非常艱難的，需要實現量子容錯等。而在計算深度和比特有限的情況下，能否制造一個模擬機，在某些特定問題上，比超級計算機更快，就成了現在的路徑。“我們將10個超導量子比特的量子處理器接入云端，希望大家都參與，試圖打通科研到應用。”

“量子計算發展的進程比我想象得要快得多。”潘建偉說，中國科學家已經在實驗室實現了目前已知的所有量子算法的驗證。團隊將在今年底發布一臺可上網的、基于超導量子比特的量子計算機；希望到明年，完成對更多數目的量子比特高精度操縱。最終，計算能力將超越目前最強大的超級計算機，實現“量子稱霸”。實現后可用于很多實用性的研究，例如研究量子退火的機制，實現高效全局的最優搜索，使得指揮交通、理解圖像等更加簡便、迅速。

“量子革命”：

中國量子人如何回答愛因斯坦“百年之問”？

信息技術的發展，很大程度上是量子力學奠定了根本的基礎。通過對量子力學理論的觀測和應用，催生了第三次產業變革，同時也帶來了兩個問題。

一是安全性的問題。信息傳輸過程中，所有依賴計算復雜度的經典加密算法，原則上隨著計算能力的提高，都是會被破解的。信息安全的瓶頸日益凸顯。

二是大數據帶來的計算能力瓶頸。要把數據中的有效信息提取出來，需要龐大的計算能力，否則數據就是垃圾。盡管現在每部手機的計算能力和當時“登月計劃”中用到的是同等量級，但現在全世界的計算能力仍然是非常有限的，大約在2的80次方左右。進入納米量級后，量子效應將起到主要的作用，原有的摩爾定律也將遇到瓶頸。

“非常有意思的是，量子力學同時為解決這些問題做好了準備，第二次量子信息革命正在加速到來。”潘建偉說，量子信息學將有三方面的應用：第一是利用量子通信提供原理上無條件安全的加密；第二是利用量子計算實現超快的計算能力，一個億級變量的方程組計算，用現在最快的超級計算機也需要100年，而用量子計算機只需要0.01秒；第三是實現量子精密測量。

量子信息技術方興未艾，這一領域的國際競爭也在不斷加劇。近年來，歐美紛紛提出“第二次量子革命”計劃，加大基礎研究和產業發展方面的投入。2016年3月，歐盟委員會發布《量子宣言（草案）》，計劃于2018年啟動10億歐元的量子技術項目。美國更是將“量子躍遷”作為“6大科研前沿”之一，認為人類正站在下一代量子革命的門檻上，量子力學正在導致變革性技術，必須加大投入促進交叉性基礎研究。

對于量子時代的科學應用，中國“量子人”團隊有著明確的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實現局域量子通信網絡，到實現多橫多縱的全球范圍量子通信網絡；通過量子計算研究，為大規模計算難題提供解決方案，實現大數據時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現新一代定位導航等。（記者 周琳 徐海濤 董瑞豐）