量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的正樣星。 中國(guó)科學(xué)院供圖
日前，我國(guó)成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”（以下簡(jiǎn)稱量子衛(wèi)星），將在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建一個(gè)天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。
量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，不僅具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值，還將推動(dòng)我國(guó)在量子太空國(guó)際競(jìng)賽中掌握主動(dòng)權(quán)，在第二次量子革命中由跟跑者向領(lǐng)跑者轉(zhuǎn)變。
在空間尺度檢驗(yàn)量子力學(xué)，有望催生基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)域的突破進(jìn)展
量子是物理世界里最小的基本個(gè)體。它具有神奇的特性：首先有多個(gè)可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在被觀測(cè)或測(cè)量時(shí)，才會(huì)隨機(jī)地呈現(xiàn)出某種確定的狀態(tài)?！斑@就好比孫悟空的分身術(shù)”，量子衛(wèi)星首席科學(xué)家、中科院院士潘建偉解釋道。
其次，量子具有糾纏態(tài)，意味著兩個(gè)糾纏在一起的量子就像有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩個(gè)人的距離有多遠(yuǎn)，當(dāng)哥哥的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，弟弟的狀態(tài)也跟著發(fā)生一樣的變化。
隨著這些特性被科學(xué)家不斷認(rèn)識(shí)，適用于實(shí)際應(yīng)用的量子通信技術(shù)被開(kāi)拓出來(lái)。量子通信分為兩種，一種是量子保密通信，能實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的通信方式，再也不會(huì)被竊聽(tīng)和破譯；另一種是量子隱形傳態(tài)，能將粒子的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)而不用傳送粒子本身?！熬拖窠疃吩埔粯?，實(shí)現(xiàn)瞬間傳輸?！边@次量子衛(wèi)星發(fā)射，就是主要開(kāi)展星地高速量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)等實(shí)驗(yàn)。
“以量子信息為代表的量子調(diào)控，帶來(lái)了第二次量子革命?！迸私▊フJ(rèn)為，人類從單純觀察量子走向主動(dòng)調(diào)控量子，這是一次巨大的飛躍?！爸袊?guó)成功發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，具有里程碑意義，這將建立有史以來(lái)最大的天地一體化量子實(shí)驗(yàn)室，真正實(shí)現(xiàn)星地之間的廣域量子調(diào)控?！?/p>
“過(guò)去人們只看到量子現(xiàn)象，卻不了解其背后的規(guī)律。”潘建偉說(shuō)，科學(xué)家們起初只是對(duì)量子進(jìn)行被動(dòng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了有用的現(xiàn)象，就拿來(lái)應(yīng)用試一試，通過(guò)這種方式，量子力學(xué)已經(jīng)給人類帶來(lái)了核能、半導(dǎo)體等重大發(fā)明，這可以稱作“第一次量子革命?！彪S著認(rèn)識(shí)加深和技術(shù)進(jìn)步，人們開(kāi)始嘗試主動(dòng)調(diào)控量子的奇異性質(zhì)，開(kāi)拓出適用于經(jīng)典世界的新技術(shù)?！鞍岩涣ＡＮ⒂^粒子抓住，在微觀層面按照需求進(jìn)行精確的組裝和調(diào)控，這是新的飛躍。量子調(diào)控和量子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展標(biāo)志著第二次量子革命的興起。”
作為人類認(rèn)知自然最重要和最直接的手段之一，科學(xué)衛(wèi)星能促使人類在基礎(chǔ)科學(xué)方面產(chǎn)出重大原創(chuàng)性成果。
“繼暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星‘悟空’和微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星‘實(shí)踐十號(hào)’之后，作為我國(guó)空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)的第三顆科學(xué)衛(wèi)星，量子衛(wèi)星將促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)域的突破進(jìn)展。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心主任、空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)科學(xué)衛(wèi)星工程常務(wù)副總指揮吳季說(shuō)。
“此次發(fā)射，能夠幫助科學(xué)家在空間尺度檢驗(yàn)量子力學(xué)的正確性?！迸私▊ソ榻B，量子力學(xué)理論是描述微觀世界的理論，在宏觀尺度上能否成立，還需要實(shí)驗(yàn)上來(lái)論證?！叭绻軌?qū)崿F(xiàn)光量子糾纏超遠(yuǎn)距離的分發(fā)，就可能對(duì)未來(lái)量子引力的模型進(jìn)行檢驗(yàn)?！?/p>
曾有人問(wèn)他：既然認(rèn)為量子力學(xué)是正確的，為什么還要大尺度遠(yuǎn)距離地去檢驗(yàn)它？“因?yàn)橹挥羞M(jìn)入新的領(lǐng)域，才能發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)?！迸私▊ミ@樣回答。
“就以量子光學(xué)為例，一旦通過(guò)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星使量子態(tài)、量子關(guān)聯(lián)以及量子糾纏等理論得到驗(yàn)證，那么其對(duì)量子光學(xué)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都會(huì)起到指導(dǎo)作用?！北本┯?jì)算科學(xué)研究中心教授、中科院院士朱詩(shī)堯認(rèn)為。
“如果經(jīng)過(guò)證明，這條衛(wèi)星發(fā)射的技術(shù)路線正確，國(guó)外團(tuán)隊(duì)就都會(huì)開(kāi)始從太空來(lái)開(kāi)展量子實(shí)驗(yàn)，這將推動(dòng)整個(gè)學(xué)科的發(fā)展，這就是引領(lǐng)的作用。”潘建偉說(shuō)。
“也正因?yàn)檫@樣，國(guó)外團(tuán)隊(duì)相繼加入到與我們的國(guó)際合作中來(lái)，中國(guó)吸引了更多優(yōu)質(zhì)的國(guó)際資源?！睋?jù)潘建偉介紹，中國(guó)科學(xué)院已經(jīng)與奧地利科學(xué)院簽署合作協(xié)議，共同致力于在量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星框架中合作開(kāi)展洲際量子通信實(shí)驗(yàn)?！捌淠繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)北京和維也納之間的量子保密通信?！贝送猓c德國(guó)團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了相關(guān)合作，致力于量子通信探索。
大國(guó)在量子通信領(lǐng)域激烈競(jìng)爭(zhēng)，起步并非最早的中國(guó)實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”
量子通信事關(guān)國(guó)家信息和國(guó)防安全，這個(gè)戰(zhàn)略性領(lǐng)域已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)優(yōu)先發(fā)展的信息科技和產(chǎn)業(yè)高地——
美國(guó)對(duì)量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)始較早，并最先將其列入國(guó)家戰(zhàn)略。美國(guó)國(guó)防部支持的“高級(jí)研究與發(fā)展活動(dòng)”計(jì)劃將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)；美國(guó)國(guó)家航空航天局也正計(jì)劃在其總部與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之間建立一個(gè)直線距離600公里、光纖皮長(zhǎng)1000公里左右的包含10個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離光纖量子通信干線，并計(jì)劃拓展到星地量子通信。
歐盟著眼于合力構(gòu)建量子互聯(lián)網(wǎng)，2008 年發(fā)布的《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報(bào)告》明確了歐洲在未來(lái)5年和10年的量子通信發(fā)展目標(biāo)。歐盟還啟動(dòng)了量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并成立“基于量子密碼的安全通信”工程，這是繼歐洲核子中心和國(guó)際空間站后又一大規(guī)模的國(guó)際科技合作。
日本也不甘落后，制定了量子信息技術(shù)長(zhǎng)期發(fā)展路線圖。日本國(guó)立信息通信研究院計(jì)劃在2020 年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。
雖然在全球量子通信競(jìng)賽中，中國(guó)起步并非最早，但是在科學(xué)家們的不懈努力下，目前中國(guó)在量子通信領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”。
潘建偉團(tuán)隊(duì)在2007年首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā)；2008年實(shí)現(xiàn)國(guó)際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)；2012年建成首個(gè)規(guī)?；某怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)；2016年中國(guó)發(fā)射全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星……很多個(gè)“世界首次”，均來(lái)自于“中國(guó)隊(duì)”。
“這標(biāo)志著中國(guó)在量子通信領(lǐng)域的崛起，從10年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美……”《自然》雜志在報(bào)道該團(tuán)隊(duì)研究成果時(shí)表示。
當(dāng)被問(wèn)及為何能夠先于歐美國(guó)家發(fā)射首顆量子衛(wèi)星時(shí)，潘建偉坦言，當(dāng)大多數(shù)同行仍致力于實(shí)驗(yàn)室的原理性演示時(shí)，他們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始思考如何能在太空實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸，著手了一系列星地量子通信的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，為星地量子通信奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
潘建偉表示，這也得益于國(guó)家的大力支持?！爸袊?guó)‘大科學(xué)’項(xiàng)目建設(shè)非常高效。一方面，國(guó)家的高強(qiáng)度支持使得包括我們團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)快速推進(jìn)量子信息研究的發(fā)展；另一方面，在衛(wèi)星量子通信方向上出現(xiàn)重大突破跡象時(shí)，中科院快速做出前瞻性決策，得以在國(guó)際上率先啟動(dòng)衛(wèi)星項(xiàng)目?！?/p>
希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)，并在量子計(jì)算領(lǐng)域有所作為
“到底為何會(huì)有量子糾纏的特性，我們還是不清楚。對(duì)量子力學(xué)的理解，我們?nèi)酝Ａ粼诖譁\的表面?！迸私▊フf(shuō)，未來(lái)5年他最想做的是，首先從更遠(yuǎn)距離和更大尺度檢驗(yàn)量子力學(xué)并發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)。同時(shí)，堅(jiān)持利用發(fā)現(xiàn)的規(guī)律改造世界，構(gòu)筑范圍更廣、更加高效的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。
“對(duì)于我們團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星的發(fā)射并不代表努力就到此為止。單顆低軌衛(wèi)星無(wú)法覆蓋全球，同時(shí)由于強(qiáng)烈的太陽(yáng)光背景，目前的星地量子通信只能在地影區(qū)進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個(gè)衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)?！迸私▊フf(shuō)，繼“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”項(xiàng)目之后，他的團(tuán)隊(duì)還將計(jì)劃開(kāi)展空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”項(xiàng)目。該項(xiàng)目將研究星間量子通信技術(shù)、全天時(shí)量子通信技術(shù)等，同時(shí)進(jìn)行量子密鑰組網(wǎng)應(yīng)用、多種技術(shù)體制的空間激光通信驗(yàn)證等應(yīng)用研究，為下一步的衛(wèi)星組網(wǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。“如果進(jìn)展順利，有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)?！?/p>
量子計(jì)算，是潘建偉想做的另外一件事。
量子計(jì)算將帶來(lái)計(jì)算能力的飛躍，是量子信息除了量子通信外的另一大分支。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，每個(gè)比特都只有0和1這兩種狀態(tài)。但在量子計(jì)算中，每個(gè)比特可以處在0和1的疊加狀態(tài)上，一旦操縱的量子數(shù)目增多，它就會(huì)以指數(shù)增長(zhǎng)的形式來(lái)提升運(yùn)算速度，有超強(qiáng)的并行運(yùn)算的能力。
“比如利用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)需要15萬(wàn)年，利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，只需要1秒。”潘建偉介紹，在大數(shù)據(jù)和人工智能里，求解一個(gè)億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)大概需要100年左右，但是如果利用萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)，只需要0.01秒。
量子計(jì)算不僅可以解決如氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探所需要處理的大規(guī)模計(jì)算難題，甚至還能揭示高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜的物理機(jī)制。
潘建偉介紹了量子計(jì)算的若干進(jìn)展。由中國(guó)科學(xué)院與阿里巴巴集團(tuán)合作成立的量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，將力爭(zhēng)在基于光和超導(dǎo)比特的量子計(jì)算、基于超冷原子的量子模擬等最有前途實(shí)現(xiàn)實(shí)用化量子計(jì)算的研究方向上率先取得突破。“到2020年，實(shí)驗(yàn)室有望在量子模擬方面達(dá)到‘太湖之光’超級(jí)計(jì)算機(jī)能力，到2030年，在某些特定功能上將達(dá)到‘太湖之光’的百億億倍，并且初步實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算功能?！苯陙?lái)，他的團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了快速求解線性方程組的量子算法、量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法，成為量子計(jì)算應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析和人工智能的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)工作。
“國(guó)內(nèi)量子計(jì)算的研究頗有亮點(diǎn)，但想要趕上歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，還需要團(tuán)隊(duì)不懈努力。”潘建偉說(shuō)，現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)上下都鼓足了干勁，爭(zhēng)分奪秒地追趕?！拔覀兒苡行判??！?/p>
