量子革命：開啟未來科技“新引擎”

　　 “你好！”9月29日，從中國發出的一聲問好，通過量子保密“京滬干線”，又經過“墨子號”衛星，跨越了半個地球來到奧地利。這是歷史上首次洲際量子保密通信，通話內容經過量子加密后，理論上無法破解。

　　一次簡短的通話，留下濃墨重彩的一筆。如此長距離、實用化的量子保密通信，意味著覆蓋全球的量子通信網絡已離我們越來越近。量子衛星上天、量子計算云平臺啟動、“京滬干線”啟航，在這場“第二次量子革命”中，微觀世界的這些中國“探夢者”，正在尋找開啟未來科技的“新引擎”。

　　量子通信：

　　一場反監聽的安全大戲

　　最開始，人類結繩記事；然后，用語言和文字溝通；再后來，手機、網絡成為必需品。信息傳輸，早已從如何傳輸，走入了“如何安全傳輸”的年代。而在這場比電影更精彩的現實大戲中，有兩個人貢獻了兩幕高潮。

　　斯諾登說，有人在監聽。

　　潘建偉說，他們聽不懂。

　　中國科學技術大學、杏林苑和濱湖新區……2008年10月，這三個合肥市內本不相干的點，因為一次實驗連接在了一起。它們仨因為組成了三節點可擴展的量子通信網絡，實現了全球首個量子保密電話系統建設，而被永久載入史冊。

　　隨后，五節點，四十六節點，合肥、濟南城域網，“京滬干線”……量子通信網在不斷擴展。隨著量子衛星的發射成功，量子通信網絡真正升至“廣域”“洲際”傳播，為信息保密傳輸畫上了“天地一體”的注腳。

　　9月29日下午，中國科學院院長白春禮與奧地利科學院院長安東·塞林格通過量子保密通信網絡進行了一次視頻通話。這次通話使用的量子密鑰，信號是這樣“走”的：先通過“京滬干線”北京控制中心與“墨子號”衛星興隆地面站的連接，打通天地一體化廣域量子通信的鏈路，然后通過“墨子號”與奧地利地面站的衛星量子通信，來到7000多公里以外的歐洲。

　　從百公里級的實驗，到千公里級的實際應用，中科院量子信息與量子科技創新研究院研究團隊不斷取得突破，先后攻克了高速量子密鑰分發、高速高效率單光子探測、可信中繼傳輸和大規模量子網絡管控等關鍵技術難題。

　　“能夠進行這么長距離、多節點的量子保密通信，尤其是國外節點并非由我們建設，說明‘天地一體’量子通信網絡是穩定、兼容的，可以實用化。”“京滬干線”項目首席科學家潘建偉院士說。

　　“京滬干線”這條連接北京、上海，貫穿濟南和合肥的量子通信骨干網絡，全長2000余公里，可滿足上萬名用戶的密鑰分發業務需求。通過這條線路，多家銀行和企業都實現了京滬異地數據的量子加密傳輸等應用。

　　由于量子具有“不可分割”、“測不準”、“不可克隆”等特性，量子保密通信在原理上是絕對安全、不可破解的。科學家這樣解釋：首先，由于“不可分割”，竊聽者無法分割出半個量子進行測量；其次，測量必然會改變量子的狀態，竊聽者也不能截取量子之后，去測量它的狀態，因為這樣竊聽行為會暴露；第三，未知的量子態無法被精確復制，竊聽者即使截取了量子，也不能精準復制量子狀態來竊聽，得到的只能是“偽碼”。

　　量子計算：

　　秒殺超級計算機的未來引擎

　　10月11日，量子計算云平臺“中國版”正式啟動，量子計算的商業化落地近在咫尺。這一云平臺，由中科院與阿里云合作發布。據介紹，這是為用戶提供量子計算的起點，希望推動量子計算產業化，實現三方面的愿景：一是提升現有計算，包括提升機器學習、組合優化等性能，帶動基于這些核心計算的業務；二是賦能新興產業，營造量子信息技術的生態系統；三是擴充安全，加強已有的量子加密通信技術，使用量子衛星，推出基于量子密碼的安全計算。

　　將量子計算商業化，已經是全球業界的共識。2016年，IBM就向公眾開放了一款基于云的量子計算平臺——“Quantum Experience”，用戶登錄后能使用一臺5量子比特的量子計算機進行算法或實驗模擬；2017年3月，又宣布計劃建立業界首個商用通用量子計算平臺IBM Q。

　　讓更多人參與到量子計算的探索和研究中，無疑可以加快其突破的速度；但量子計算也并非是“萬能”的，其目的主要是用來處理過于復雜和發展太快，以至于傳統計算系統無法處理的各種問題。潘建偉說，目前云平臺提供25量子比特的經典計算仿真環境，2017年底基于10個超導量子比特的量子計算將上線。

　　中國科學技術大學教授朱曉波是10個超導量子比特糾纏的主要實現者之一。他告訴記者，量子計算有兩條實現路徑，一是通用量子計算，這是非常艱難的，需要實現量子容錯等。而在計算深度和比特有限的情況下，能否制造一個模擬機，在某些特定問題上，比超級計算機更快，就成了現在的路徑。“我們將10個超導量子比特的量子處理器接入云端，希望大家都參與，試圖打通科研到應用。”

　　“量子計算發展的進程比我想象得要快得多。”潘建偉說，中國科學家已經在實驗室實現了目前已知的所有量子算法的驗證。團隊將在今年底發布一臺可上網的、基于超導量子比特的量子計算機；希望到明年，完成對更多數目的量子比特高精度操縱。最終，計算能力將超越目前最強大的超級計算機，實現“量子稱霸”。實現后可用于很多實用性的研究，例如研究量子退火的機制，實現高效全局的最優搜索，使得指揮交通、理解圖像等更加簡便、迅速。

　　“量子革命”：

　　中國量子人如何回答愛因斯坦“百年之問”？

　　信息技術的發展，很大程度上是量子力學奠定了根本的基礎。通過對量子力學理論的觀測和應用，催生了第三次產業變革，同時也帶來了兩個問題。

　　一是安全性的問題。信息傳輸過程中，所有依賴計算復雜度的經典加密算法，原則上隨著計算能力的提高，都是會被破解的。信息安全的瓶頸日益凸顯。

　　二是大數據帶來的計算能力瓶頸。要把數據中的有效信息提取出來，需要龐大的計算能力，否則數據就是垃圾。盡管現在每部手機的計算能力和當時“登月計劃”中用到的是同等量級，但現在全世界的計算能力仍然是非常有限的，大約在2的80次方左右。進入納米量級后，量子效應將起到主要的作用，原有的摩爾定律也將遇到瓶頸。

　　“非常有意思的是，量子力學同時為解決這些問題做好了準備，第二次量子信息革命正在加速到來。”潘建偉說，量子信息學將有三方面的應用：第一是利用量子通信提供原理上無條件安全的加密；第二是利用量子計算實現超快的計算能力，一個億級變量的方程組計算，用現在最快的超級計算機也需要100年，而用量子計算機只需要0.01秒；第三是實現量子精密測量。

　　量子信息技術方興未艾，這一領域的國際競爭也在不斷加劇。近年來，歐美紛紛提出“第二次量子革命”計劃，加大基礎研究和產業發展方面的投入。2016年3月，歐盟委員會發布《量子宣言（草案）》，計劃于2018年啟動10億歐元的量子技術項目。美國更是將“量子躍遷”作為“6大科研前沿”之一，認為人類正站在下一代量子革命的門檻上，量子力學正在導致變革性技術，必須加大投入促進交叉性基礎研究。

　　對于量子時代的科學應用，中國“量子人”團隊有著明確的科研路線圖：通過量子通信研究，從初步實現局域量子通信網絡，到實現多橫多縱的全球范圍量子通信網絡；通過量子計算研究，為大規模計算難題提供解決方案，實現大數據時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現新一代定位導航等。

　　量子世界的年輕人

　　周琳

　　時間倒回到2016年9月23日。那時，世界首顆量子科學實驗衛星上天不過月余。也不知道是團隊里的誰突發奇想，在新疆南山地面站，該項目的部分參與者集中到戶外，等待衛星飛過頭上的蒼穹。在紅綠光交會的那一刻，他們拍下一張合影。

　　在那個瞬間，印娟想起2008年的暑假，26歲的她和25歲的曹原在佘山天文臺，第一次驗證了星地之間量子通信可行的那一刻，印娟大喊，“曹原你別動（儀器），你快來，我收到啦，我收到啦！”

　　廖勝凱想起自己2010年博士答辯的那一天。博士論文方向是衛星地面站跟瞄系統的他，6年后終于給自己的博士論文畫上了句號，當年賭上青春的猜想，證明是可行的。

　　拍攝這張合影時，1983年出生的曹原在興隆地面站進行星地光鏈路測試；1987年生的徐憑在西藏阿里地面站裹著“軍大衣＋羽絨服”做實驗；同為1987年的芮俊參與了量子化學這一全新方向的實驗，在國際競爭中獨辟蹊徑；1988年的吳湛所在的小組在量子模擬系統中堅定地走出了比國際同行高一個維度的新方向。

　　拍攝這張合影的人，叫戴輝，是他們的學生，妥妥90后。

　　微小的量子世界里，裝下了很多年輕人，幾乎沒有一個是在單兵前進。近百年來，包括愛因斯坦、玻爾等在內的幾代科學家，一直在追尋著量子世界的奧秘。這一次，發出追問的，是這群年輕人。

　　量子光源是一種極其微弱的光信號。單光子級的光信號亮度，相當于一根蠟燭在140公里之外的人眼中的強度，要知道，人類肉眼能夠分辨蠟燭光亮的極限距離，大約才700米。

　　早在2008年，印娟和曹原被派到上海佘山，借助天文臺和衛星之間的光信號星地傳輸，證明單光子級別的光源也能被地面接收，為星地一體量子通信網絡提供實驗支撐。

　　一個無人嘗試過的題目。一年間，印娟在樓頂望遠鏡旁盯著電腦，曹原在樓下控制偏正補償，日復一日。由于天氣、技術參數等多種因素影響，電腦上幾個月都沒有一絲信號。忽然有一天，驚喜降臨，望遠鏡和衛星交會在一起時，屏幕上出現了一絲微弱的抖動。

　　這是歷史上第一次證明，如果從衛星上發射單光子級的光信號的話，地面上是可以收到的。也就是說，基于衛星的量子通信是可行的。

　　走進量子世界，為后來人探出一條平穩的路，讓大家漸漸明白這個世界的用處在哪里，是中國量子科學人的初心。做這樣的研究，就像是茫茫黑夜獨行，面前是一片混沌曠野，不知道研究方向是否正確，不知道要花費多少時間，不知道最后能不能做得出來。

　　但科學研究不是一個方法不行，就趕緊換一個方法；而是不停地問自己，為什么這個方法不行。定位問題、復現問題、分析問題……要想解決問題，只有一步一步地往前走。“必須把前一步的所有問題都解決，才能進入下一步。實驗做到最后，成不成基本上心里早就有數了。”

　　把量子糾纏源送上太空前，曹原和他的同事發現它的指標總是出現波動。不可能給天上的衛星配一個“維修工”，只有抓緊分析。問題定位到一個指甲蓋大小的光學器件——光束分束器，然后做出50多套相同的試驗件，窮盡每一個疑點。

　　“容得下一張書桌”的中國科學技術大學，默默地給了他們“打怪升級”最大的包容；組建實驗室的時候，他們的導師潘建偉院士放開所有束縛，他們可以5年不發一篇論文；團隊各司其職，雜務最大程度為實驗讓步，讓大家可以持續高強度、高質量工作。

　　每一步的基礎都打得特別牢，取得理想成績便顯得“自然而然”。他們相信在這里，望得見第二次信息革命的曙光，付出整個學術生涯也值得。