對(duì)大眾來(lái)說(shuō)，“量子”已經(jīng)不是一個(gè)陌生的詞，但一些店家的欺騙和過(guò)度宣傳，讓這個(gè)詞顯得不這么純粹。“遇事不決，量子熱學(xué)”這句嘲諷的話，道出了這個(gè)領(lǐng)域的難堪窘境。
真正有技術(shù)濃度的量子科技應(yīng)當(dāng)是怎樣樣的？目前量子科技主流的研究方向，是量子熱學(xué)和信息科學(xué)的交叉學(xué)科——量子信息。
實(shí)際上，以量子信息為代表的量子科技，正在推進(jìn)著第二次量子革命。第一次量子革命主要是借助微觀粒子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)律，誕生了半導(dǎo)體、激光和核能等新技術(shù)領(lǐng)域。而第二次量子革命，則是通過(guò)直接觀測(cè)和操控微觀粒子系統(tǒng)，對(duì)量子信息進(jìn)行運(yùn)用。
和信息技術(shù)包含信息獲取、處理和傳遞三個(gè)部份類似，對(duì)量子信息的運(yùn)用，可細(xì)分為量子檢測(cè)、量子估算和量子通訊。這其中，量子通訊和量子估算最受關(guān)注，但量子檢測(cè)同樣具有極大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景。這么，在這三個(gè)領(lǐng)域中，中國(guó)目前處于哪些樣位置？
圖片來(lái)自于銳觀咨詢"alt="圖片來(lái)自于銳觀咨詢"/>圖片來(lái)自于銳觀咨詢?cè)诹孔油ㄓ嶎I(lǐng)域處于領(lǐng)先地位
所謂量子通訊，即借助微觀粒子的特點(diǎn)，對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密。值得注意的是，這兒所說(shuō)的“量子通訊”本質(zhì)上是一種新的加密手段，而信息的傳輸方法仍是常規(guī)手段（如光纖）。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)陳宇翱介紹，構(gòu)建量子保密通訊的終極目標(biāo)，就是構(gòu)建覆蓋全省乃至全球范圍的量子保密通訊網(wǎng)路。目前世界上比較公認(rèn)的路線圖是：先借助光纖在城市內(nèi)建立一個(gè)網(wǎng)路，之后借助中繼聯(lián)接城市。在超遠(yuǎn)距離，通過(guò)衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通訊。
中國(guó)早已率先走完了整個(gè)路線圖。中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)陸朝陽(yáng)表示，在量子通訊領(lǐng)域，“我國(guó)是全面領(lǐng)先于法國(guó)和德國(guó)的”。
專利數(shù)目彰顯了這一優(yōu)勢(shì)。據(jù)中國(guó)信息通訊研究院統(tǒng)計(jì)，中國(guó)近來(lái)幾年申請(qǐng)量子通訊相關(guān)的專利相當(dāng)多，低于日本和韓國(guó)。因?yàn)槌跗谥袊?guó)專利申請(qǐng)量較少，所以目前中國(guó)專利授權(quán)量多于印度，但未來(lái)會(huì)繼續(xù)上升。
專利之外，中國(guó)實(shí)實(shí)在在地在量子通訊領(lǐng)域取得不少突破。科普中國(guó)一篇文章寫(xiě)道，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，量子通訊的安全傳輸距離，只有10公里量級(jí)，因而學(xué)術(shù)界以前覺(jué)得量子密碼學(xué)基本早已到頭了，沒(méi)有太大前途。2003至2005年期間，俄羅斯和中國(guó)科學(xué)家提出了一種新的合同，致使安全傳輸距離可以提升到百公里的量級(jí)。自此以后，量子通訊蓬勃發(fā)展，而中國(guó)獲得了領(lǐng)先地位，大部份的新紀(jì)錄都是中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的。
說(shuō)到中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，肯定繞不開(kāi)潘建偉團(tuán)隊(duì)。早在2003年，該團(tuán)隊(duì)就提出，借助衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地間量子通訊、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通訊網(wǎng)的方案。這方案于2011年末即將立項(xiàng)，并在2016年8月16日走出里程碑式的一步：中國(guó)發(fā)射了世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。
基于“墨子號(hào)”衛(wèi)星，潘建偉團(tuán)隊(duì)在2017年8月完成了三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，比預(yù)料提早了一年多。這標(biāo)志著中國(guó)率先把握了星地一體廣域量子通訊網(wǎng)路技術(shù)。
2017年9月29日，中國(guó)開(kāi)通了世界首列量子保密通訊干線“京滬干線”。這條量子通訊保密干線全長(zhǎng)2000多公里，聯(lián)接了上海和廣州，貫串西安和蘭州，共有32個(gè)量子通訊節(jié)點(diǎn)。
盡管量子加密的形式不可破解，但通訊節(jié)點(diǎn)卻是可以被攻占的。以前有過(guò)論文提出，通過(guò)功擊節(jié)點(diǎn)的信源端來(lái)詐騙量子密碼。簡(jiǎn)而言之，就是用數(shù)學(xué)手段來(lái)功擊量子通訊所需的設(shè)備，而非物理意義上的破解密碼。也就是說(shuō)，“京滬干線”在工程層面上，當(dāng)然是有理論上漏洞的。其實(shí)，這些漏洞也可以通過(guò)工程手段來(lái)解決，例如強(qiáng)化設(shè)備安全性。
事實(shí)上，借助“墨子號(hào)”進(jìn)行量子通訊，也有安全隱患。基于常規(guī)傳輸方法進(jìn)行信息傳輸，“墨子號(hào)”衛(wèi)星把握著用戶分發(fā)的全部秘鑰，如果衛(wèi)星被他方控制，就存在信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。不過(guò)，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)于2020年6月發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)成果解決了這個(gè)問(wèn)題。
該團(tuán)隊(duì)借助量子糾纏的特點(diǎn)，只在地面站用戶端對(duì)量子進(jìn)行檢測(cè)，糾纏源（衛(wèi)星）不把握秘鑰任何信息，雖然衛(wèi)星被他方綁架了，秘鑰也不會(huì)泄露。在該論文之前，基于衛(wèi)星糾纏的分發(fā)，效率低下、錯(cuò)誤率高，不足以支持量子秘鑰分發(fā)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)地面站望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，升級(jí)主光學(xué)和后光路，解決了衛(wèi)星糾纏分發(fā)效率低的問(wèn)題。
最終，她們利用“墨子號(hào)”，在相隔1120公里的兩個(gè)地面站之間，成功實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子秘鑰分發(fā)。雖然在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下，通過(guò)數(shù)學(xué)原理仍然能實(shí)現(xiàn)安全量子通訊。《自然》雜志審稿人對(duì)這一成果的評(píng)價(jià)是：“這是建立全球化量子秘鑰分發(fā)網(wǎng)路、甚至量子互聯(lián)網(wǎng)的重要一步。”
不管怎樣說(shuō)，有了“京滬干線”和“墨子號(hào)”，意味著中國(guó)初步建立了天地一體化的廣域量子通訊網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)施。在此基礎(chǔ)上，中國(guó)得以加快量子通訊技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
就“京滬干線”而言量子計(jì)算和量子通訊，早已被用于金融、政府和國(guó)防等領(lǐng)域的加密數(shù)據(jù)傳輸。一些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，也可通過(guò)阿里云使用云上量子通訊加密服務(wù)。“墨子號(hào)”的產(chǎn)業(yè)化難度相對(duì)較高，過(guò)去配合“墨子號(hào)”使用的量子衛(wèi)星地面站，容積龐大，重達(dá)十幾噸，無(wú)法產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
2019年12月30日，中國(guó)自主研制的首個(gè)大型化可聯(lián)通量子衛(wèi)星地面站（重量?jī)H80多公斤），與“墨子號(hào)”對(duì)接成功，實(shí)現(xiàn)了量子技術(shù)產(chǎn)品化的突破量子計(jì)算和量子通訊，中國(guó)量子通訊有望步入產(chǎn)業(yè)化的時(shí)代。
在建設(shè)“墨子號(hào)”和“京滬干線”項(xiàng)目過(guò)程中，潘建偉團(tuán)隊(duì)通過(guò)成果轉(zhuǎn)化培植了一家商業(yè)公司——國(guó)盾量子。2017年起，日本將量子通訊相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品和元件納入出口管制名單，國(guó)盾量子希望靠自主研制，保障項(xiàng)目關(guān)鍵元元件的供應(yīng)。
2020年7月，國(guó)盾量子作為A股“量子通訊第一股”上市，當(dāng)日午盤價(jià)較發(fā)行價(jià)暴漲10倍，足見(jiàn)中國(guó)資本市場(chǎng)對(duì)量子通訊技術(shù)的親睞。不過(guò)，整體而言量子通訊仍然是一種新技術(shù)，現(xiàn)階段還處于產(chǎn)品推廣期。
在量子估算和量子檢測(cè)領(lǐng)域，仍待追趕
量子估算是指借助量子力學(xué)原理來(lái)處理信息，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)被稱之為量子計(jì)算機(jī)。1981年，波蘭化學(xué)學(xué)家蓋瑞?費(fèi)曼提出，原則上，人們可以設(shè)計(jì)一種計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過(guò)量子力學(xué)特點(diǎn)來(lái)工作。精典計(jì)算機(jī)的信息單位是比特，而量子計(jì)算機(jī)基于量子比特。
經(jīng)過(guò)幾六年的發(fā)展，研究者們?cè)缫汛罱ㄆ鹫麄€(gè)量子估算的理論體系。目前研究的重點(diǎn)，是把理論研究進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士、本源量子總工裁張輝介紹，從量子估算角度看，中國(guó)和印度起碼還有4~5年的差別。
據(jù)中國(guó)信息通訊研究院統(tǒng)計(jì)，在專利層面，愛(ài)爾蘭不管是申請(qǐng)量還是授權(quán)量，都居于前列。中國(guó)專利申請(qǐng)量在2018年超過(guò)了俄羅斯，但授權(quán)量與日本仍有不少差別。
一些關(guān)鍵成果都是日本企業(yè)率先作出了突破。2019年初，IBM推出了20個(gè)比特的量子估算截?fù)魴C(jī)，而且早已開(kāi)始售賣。2019年10月，《》雜志刊載了關(guān)于“實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性”的論文。制造出了53個(gè)量子比特?cái)?shù)的量子計(jì)算機(jī)，同樣的估算量，量子計(jì)算機(jī)用200秒就完成了，而目前最強(qiáng)的精典超級(jí)計(jì)算機(jī)，要耗費(fèi)10000年才會(huì)完成。
目前，中國(guó)的學(xué)界和業(yè)界正努力減短和日本的差別。在學(xué)界，四川學(xué)院和中國(guó)科大學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)，于2019年8月研制出了一枚具有20個(gè)量子比特的量子芯片，而且成功操控其實(shí)現(xiàn)全局糾纏，刷新了世界紀(jì)錄。此前，固態(tài)量子元件中生成糾纏態(tài)的量子比特，最多是12個(gè)。
在業(yè)界，大公司如騰訊、阿里巴巴、百度和華為，創(chuàng)業(yè)公司如本源量子，都在量子估算上有所建樹(shù)。其中，阿里巴巴在2017年5月宣布，造出了第一臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)。2018年5月，阿里巴巴達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)出了全球最強(qiáng)量子點(diǎn)路模擬器“太章”。而本源量子在2020年9月12日，上線了中國(guó)首個(gè)接入實(shí)體量子計(jì)算機(jī)的量子估算云平臺(tái)。被接入的量子計(jì)算機(jī)叫“悟源”，不僅內(nèi)層制熱機(jī)由美國(guó)供應(yīng)商提供外，其他部件都是本源量子自主研制，或由國(guó)外廠商制造。
這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)只能提供6個(gè)量子比特，對(duì)標(biāo)的是IBM在2017年在云端發(fā)布的5比特量子計(jì)算機(jī)。目前，IBM在云平臺(tái)上提供了50個(gè)量子比特的估算系統(tǒng)。
量子通訊和量子估算之外，量子信息學(xué)科還有另外一個(gè)重要方向——量子檢測(cè)。精典檢測(cè)方式受限于種種誘因，檢測(cè)精度提高面臨困局。而量子檢測(cè)通過(guò)借助量子體系（如原子和光子）的量子特點(diǎn)或現(xiàn)象，如疊加態(tài)、糾纏態(tài)、相干等，可以突破精典熱學(xué)框架下的檢測(cè)極限，實(shí)現(xiàn)更高精度的檢測(cè)，例如中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)借助量子檢測(cè)技術(shù)，把定位精度提升到十分高的程度。
如上文所說(shuō)，量子通訊和量子估算在輿論場(chǎng)有較高聲量，而量子檢測(cè)的公眾認(rèn)知度相對(duì)較小，但普通人首先能用上的量子科技，其實(shí)就是量子檢測(cè)相關(guān)成果。
據(jù)中國(guó)信息通訊研究院統(tǒng)計(jì)，與量子通訊和量子估算相比，量子檢測(cè)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)和研究論文總數(shù)偏少，但近些年來(lái)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。從地域上看，美、中、日的專利申請(qǐng)量較多，且中國(guó)在2018年超越了法國(guó)，但綜合實(shí)力仍不及新西蘭。
中國(guó)的研究多集中在院校和科研機(jī)構(gòu)，如上海民航航天學(xué)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院以及中國(guó)航天科工四院33所，其中中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院剛才取得一項(xiàng)重要科研進(jìn)展。
據(jù)新華社2020年10月20晚報(bào)道，潘建偉、陸朝陽(yáng)等人與日本耶魯學(xué)院等機(jī)構(gòu)的學(xué)者合作，在同時(shí)具備高含量、高效率的單光子源元件上觀察到硬度壓縮，為實(shí)現(xiàn)基于單光子源的量子精密檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
總的來(lái)說(shuō)，以量子信息為代表的第二次量子革命中，中國(guó)處于競(jìng)爭(zhēng)的第一梯隊(duì)。在量子通訊領(lǐng)域，中國(guó)領(lǐng)先于世界。而在量子估算和量子檢測(cè)領(lǐng)域，中國(guó)仍需追趕。