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直道超車,量子通信跑在世界前列

發布時間:2019-09-26

  新華網訊高冷的量子物理和我們的生活有什么關系?

  “其實,過去的一百多年,量子力學的發展,所催生的各種技術已經徹底改變了我們的生活。”

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  時鐘回撥至三年前,那年8月我國發射了世界上第一顆量子科學實驗衛星。

  國際上幾乎所有最重要的媒體,如BBC、《紐約時報》《自然》《科學美國人》等,都報道了這一事件,并將之評為改變世界的十個重大科學事件之一。《華爾街日報》也以“沉寂了一千年,中國誓回發明創新之巔”為題進行報道。

  隨之,以量子衛星為代表,來自中國的一系列量子信息技術成果,也直接或者間接觸發了歐洲和美國的加大投入:歐洲正式啟動了量子技術旗艦項目,美國也通過了“國家量子行動法案”。

  在“第二次量子革命”占有一席之地

  我們今天使用的計算機、筆記本電腦、手機的芯片,其基本的計算單元是晶體管,就是基于量子力學中的能帶理論發明的。激光也來源于量子力學,我們使用的硬盤、LED發光等,都依賴于量子力學。

  “但是之前的這些量子技術,都是基于量子規律的宏觀應用。”陸朝陽說,最近幾十年,物理學發展到新的階段,即使有百億億個光子,我們在實驗室里也可以精準地控制到一個一個的光子、一個一個的原子。

  “這些技術正在催生‘第二次量子革命’的一些新技術,包括安全通信、量子計算、精密測量等技術。”陸朝陽說,“‘第一次量子革命’,因為歷史原因,中國并沒有太多的參與。但現在‘第二次量子革命’就是一個非常好的機遇,是一個能夠使我們從之前的跟隨者、模仿者變為引領者的機會,而中國科學家已經牢牢地占有了一席之地”。

  在中國建世界一流的量子實驗室

  1996年,中國科學技術大學潘建偉剛去奧地利留學。

  一天,潘建偉興沖沖地去找他的導師安東·塞林格,說自己通過計算發現了一個有趣的理論方案。講完這個方案后,安東問他有沒有聽說過“量子隱形傳態”,潘建偉說不知道。

  由于當時互聯網水平的限制和國際期刊在國內的普及程度不夠,在不知道1993年Bennett等人的相關論文的情況下,潘建偉重新獨立推導出了量子隱形傳態,這是量子信息中的一個核心方案。

  從到達因斯布魯克的第一天開始,導師安東就問潘建偉:留學夢想是什么?他回答說:“要在中國建立一個世界一流的量子實驗室”。

  時光飛逝,20多年過去了。在中科院、科技部、基金委、教育部等部門的支持下,潘建偉的這個夢想正一步步邁向現實。

  “2002年,我們的團隊只有5個人。從2006年開始,很多年輕的學生被派到世界各地,在國際先進的實驗室學習新技術。”陸朝陽說,2009年,潘建偉老師剛剛參加完《復興之路》的主題展,就激動地給幾乎所有在海外的學生發了一條短信,希望我們能夠回國為民族復興盡力。

  2011年,這些派往海外的學子基本都回到了國內。后來發生的事情有目共睹。“我們團隊主要的研究路線,是從量子基礎研究開始,然后進入應用基礎研究,再慢慢地把一些能夠直接應用和產業化的技術投入實踐應用,反哺社會經濟發展。”陸朝陽說。

  高水平論文數量快速增長

  量子的糾纏,是量子通信和量子計算的基礎。“在多光子糾纏領域,我們一直在國際上保持領先地位,目前,我們已經實現了18個光量子的糾纏。”陸朝陽告訴記者,利用國際一路領先的多光子糾纏和干涉技術,中國團隊在2017年實現了第一臺在“波色取樣”這個特定任務上能夠超越最早期兩臺經典計算機的光量子計算原型機。這是邁向“量子霸權”先期基礎測試的一步。

  “我們一直在做的不是彎道超車,而是直道超車。量子科學實驗衛星是直道超車的一個非常好的范例。”陸朝陽說,最開始在論證的時候,有些專家會問國外有沒有開展這樣的研究。很多人的看法是,國外開展研究了,我們才開始研究。

  2017年,“墨子號”實現了從北京到維也納7600公里的量子保密通信。基于量子衛星和“京滬干線”,我國首次描繪了天地一體化的量子通信網絡藍圖。于是,很多國外的機構,包括歐洲、美國研究機構,主動找來要求加入合作項目。

  “此外,我們在量子計算和精密測量方面也做了比較系統的布局,利用超冷原子能夠實現實用化的量子模擬技術。”陸朝陽告訴記者,利用超導量子計算探索和攻關通用的量子計算機,目前我國團隊已經做到了12個超導量子比特的糾纏。

  這意味著什么?在平時新聞里人們可能會聽到,IBM做到了50個量子比特,谷歌做到了72個,但他們所宣稱的量子比特數目還不能形成量子糾纏,也就意味著,并不能用于真正意義上的量子計算。

  2007年,《新科學家》雜志在其《中國崛起》專刊里提道:“中國科學技術大學——因而也是整個中國——牢牢地在量子計算的世界地圖上占據了一席之地。”

  2012年,《自然》年度十大科技亮點中說“標志著中國在量子通信領域的崛起,10年前不起眼的國家,發展為現在的世界勁旅”。之后的2013年、2015年、2017年乃至2018年,我國量子科研團隊的原創成果都分別入選國際上的重大進展:美國物理學會“2013年度亮點”;英國物理學會“2015年度突破”;《自然》“2017年度國際重大科學事件”……

  從1998年開始,我國在量子信息領域高水平論文數量已經增長了80多倍。陸朝陽說,這也是新中國在科技方面的巨大進步,尤其是改革開放40年里進步的縮影。

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