潘建伟院士:新量子革命助力中国成为信息技术引领者

时间:2018-5-31 10:10:26  来源:科学网

自20世纪90年代起,人类对量子力学基本问题的深入研究和量子调控技术的巨大进步,催生了量子信息科学这一新学科,并使其成为近年来物理学领域最活跃的研究前沿之一。

“量子客体的状态会被测量影响,由此带来一个革命性的观念——观测者的行为可以影响体系的演化。”在中国科学院第十九次院士大会第六届学术年会上,中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟介绍了从量子物理基础检验到量子信息技术的新量子革命。

两次量子革命带来的改变

牛顿力学理论带来了第一次科学革命,但是经典物理学的决定论却存在一个困境—— 一切事件都是在宇宙大爆炸时就已经确定好的吗?个人的努力还有意义吗?

潘建伟引用了霍金的一句话——“即使是相信一切都是上天注定的人,在过马路时也会左右看”。他解释说:“虽然大家对牛顿力学理论取得的成就非常满意,但对于它蕴含的决定论,我们持有很深的怀疑。”

怀疑促成了量子力学的建立。20世纪初,随着量子力学建立而催生的第一次量子革命,使得人类在能源、信息、材料和生命等科学领域获得了空前的发展。

然而,基于第一次量子革命成果的多个重要产业领域都已经逐渐逼近其技术极限,进一步发展遇到严重阻碍。

潘建伟说:“通常人们可以采用身份认证、传输加密、数字认证等手段确保信息安全。然而,一旦拥有足够强大的计算能力,所有依赖于计算复杂度的加密算法原理上都会被破解。”

同时,大数据时代人类对计算能力的需求与日俱增,但是目前拥有的计算能力十分有限,例如集全世界计算能力的总和都无法在一年内完成对280个数据的穷举搜索。同时,随着晶体管的尺寸逐步接近纳米级,量子效应将起主导作用,晶体管的电路原理将不再适用。

幸运的是,量子力学的发展已经为解决这些重大问题作好了准备。

潘建伟介绍说,1935年,爱因斯坦等人指出,量子纠缠所体现的量子非定域性与作为经典物理学基本观念的定域实在论之间存在尖锐矛盾。1964年,John Bell提出了Bell不等式,为实验检验量子非定域性与定域实在论的矛盾提供了可量化的方案。此后,各国学者开展了大量的Bell不等式实验研究,验证了量子力学非定域性的正确性。

作为量子调控技术的系统性应用,量子信息技术可以在确保信息安全、提高运算速度、提升测量精度等方面突破经典技术的瓶颈,量子调控和量子信息技术的迅猛发展标志着第二次量子革命的兴起。

中国量子通信技术国际领先

“发展量子通信技术的终极目标是构建全国乃至全球范围的量子通信网络体系。”潘建伟表示。

对于量子通信,目前国际上有两种公认的可行途径:一种是利用中继器(包括可信中继和量子中继)进行分段传输;另一种是利用卫星中转进行自由空间单光子传输,实现数千公里甚至是全球化的量子通信。

当前,中国在发展量子通信技术的研究和应用方面处于国际领先水平。为构建广域量子通信系统,我国建成了首个千公里级广域量子保密通信骨干网“京沪干线”。

同时,经过近10年的努力,科学家目前已可以用低轨卫星进行量子通信。

2016年,在中科院战略性先导科技专项的支持下,世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满实现了三大既定科学目标,在国际上率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发、千公里级星地高速量子密钥分发和千公里级地星量子隐形传态。

潘建伟说:“去年我们可以每秒钟产生1000个密钥,最近得到大幅度提高,现在可以每秒钟比较稳定地产生10万个密钥。”

量子通信将和经典通信网络衔接

“按照量子信息技术的发展趋势,通过10~15年的努力,在量子通信方面有望构建完整的空地一体广域量子通信网络技术体系,推动量子通信技术在国防、政务、金融和能源等领域率先加以广泛应用,实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接,为形成具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统奠定基础。”潘建伟说。

同时,他表示,基于广域的量子通信网络,也将为构建大尺度、高精度的时间频率传递网络,进行量子力学非定域性的终极检验,以及在外太空开展针对广义相对论、量子力学与引力的结合等物理学基本原理的检验提供条件。

在量子精密测量方面,有望突破与导航、医学检验、科学研究等领域密切相关的一系列量子精密测量关键技术,并完成一批重要量子精密测量设备与系统的研制,比如高精度光钟、远距离频率传递系统、原子陀螺仪等。

“以量子信息技术为代表的第二次量子革命为我国从经典信息技术时代的跟随者、模仿者转变为未来信息技术的引领者提供了机遇。量子力学从最基础的研究出发,慢慢发展成精致的技术,变成了实用化研究。实用化发展起来的技术,又可用于支撑量子力学非定域性检验研究和量子引力检验。因此对基础研究的肯定,无论何时都是不过分的。”潘建伟说。