直道超车,量子通信跑在世界前列

2019-10-11 20:21

科技创新70年·历程

本报记者 吴长锋

高冷的量子物理和我们的生活有什么关系?

“其实,过去的一百多年,量子力学的发展,所催生的各种技术已经彻底改变了我们的生活。”中国科学技术大学陆朝阳教授告诉科技日报记者。

时钟回拨至三年前,那年8月我国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星。

国际上几乎所有最重要的媒体,如BBC、《纽约时报》《自然》《科学美国人》等,都报道了这一事件,并将之评为改变世界的十个重大科学事件之一。《华尔街日报》也以“沉寂了一千年,中国誓回发明创新之巅”为题进行报道。

随之,以量子卫星为代表,来自中国的一系列量子信息技术成果,也直接或者间接触发了欧洲和美国的加大投入:欧洲正式启动了量子技术旗舰项目,美国也通过了“国家量子行动法案”。

在“第二次量子革命”占有一席之地


我们今天使用的计算机、笔记本电脑、手机的芯片,其基本的计算单元是晶体管,就是基于量子力学中的能带理论发明的。激光也来源于量子力学,我们使用的硬盘、LED发光等,都依赖于量子力学。

“但是之前的这些量子技术,都是基于量子规律的宏观应用。”陆朝阳说,最近几十年,物理学发展到新的阶段,即使有百亿亿个光子,我们在实验室里也可以精准地控制到一个一个的光子、一个一个的原子。

“这些技术正在催生‘第二次量子革命’的一些新技术,包括安全通信、量子计算、精密测量等技术。”陆朝阳说,“‘第一次量子革命’,因为历史原因,中国并没有太多的参与。但现在‘第二次量子革命’就是一个非常好的机遇,是一个能够使我们从之前的跟随者、模仿者变为引领者的机会,而中国科学家已经牢牢地占有了一席之地”。

在中国建世界一流的量子实验室

1996年,中国科学技术大学潘建伟刚去奥地利留学。

一天,潘建伟兴冲冲地去找他的导师安东·塞林格,说自己通过计算发现了一个有趣的理论方案。讲完这个方案后,安东问他有没有听说过“量子隐形传态”,潘建伟说不知道。

由于当时互联网水平的限制和国际期刊在国内的普及程度不够,在不知道1993年Bennett等人的相关论文的情况下,潘建伟重新独立推导出了量子隐形传态,这是量子信息中的一个核心方案。

从到达因斯布鲁克的第一天开始,导师安东就问潘建伟:留学梦想是什么?他回答说:“要在中国建立一个世界一流的量子实验室”。

时光飞逝,20多年过去了。在中科院、科技部、基金委、教育部等部门的支持下,潘建伟的这个梦想正一步步迈向现实。

“2002年,我们的团队只有5个人。从2006年开始,很多年轻的学生被派到世界各地,在国际先进的实验室学习新技术。”陆朝阳说,2009年,潘建伟老师刚刚参加完《复兴之路》的主题展,就激动地给几乎所有在海外的学生发了一条短信,希望我们能够回国为民族复兴尽力。

2011年,这些派往海外的学子基本都回到了国内。后来发生的事情有目共睹。“我们团队主要的研究路线,是从量子基础研究开始,然后进入应用基础研究,再慢慢地把一些能够直接应用和产业化的技术投入实践应用,反哺社会经济发展。”陆朝阳说。

高水平论文数量快速增长

量子的纠缠,是量子通信和量子计算的基础。“在多光子纠缠领域,我们一直在国际上保持领先地位,目前,我们已经实现了18个光量子的纠缠。”陆朝阳告诉记者,利用国际一路领先的多光子纠缠和干涉技术,中国团队在2017年实现了第一台在“波色取样”这个特定任务上能够超越最早期两台经典计算机的光量子计算原型机。这是迈向“量子霸权”先期基础测试的一步。

“我们一直在做的不是弯道超车,而是直道超车。量子科学实验卫星是直道超车的一个非常好的范例。”陆朝阳说,最开始在论证的时候,有些专家会问国外有没有开展这样的研究。很多人的看法是,国外开展研究了,我们才开始研究。

2017年,“墨子号”实现了从北京到维也纳7600公里的量子保密通信。基于量子卫星和“京沪干线”,我国首次描绘了天地一体化的量子通信网络蓝图。于是,很多国外的机构,包括欧洲、美国研究机构,主动找来要求加入合作项目。

“此外,我们在量子计算和精密测量方面也做了比较系统的布局,利用超冷原子能够实现实用化的量子模拟技术。”陆朝阳告诉记者,利用超导量子计算探索和攻关通用的量子计算机,目前我国团队已经做到了12个超导量子比特的纠缠。


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