8月16日凌晨，中國(guó)量子衛(wèi)星“墨子”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。作為世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，發(fā)射升空之后，“墨子”將會(huì)進(jìn)行量子通信實(shí)驗(yàn)。未來(lái)在軌運(yùn)行的兩年時(shí)間里，它將配合地面的五個(gè)臺(tái)站，進(jìn)行大量工作，并將幫助我們建立一個(gè)極其安全的全球通信網(wǎng)絡(luò)。

　　中國(guó)空間量子衛(wèi)星領(lǐng)軍人物、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉院士說(shuō)，這顆衛(wèi)星之所以起名“墨子”，因?yàn)槟邮紫韧ㄟ^(guò)小孔成像實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了光是直線傳播的，而且墨子也提出了某種意義上的粒子論。 “因此，光量子學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星用這位中國(guó)先賢命名，我認(rèn)為是很妥帖的。”潘建偉說(shuō)。

　　另一方面，回過(guò)頭來(lái)看量子計(jì)算，雖然同屬于量子研究領(lǐng)域，但相比量子通訊，人們對(duì)量子計(jì)算更常見(jiàn)的反饋是，“這聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)！”

　　盡管如此，國(guó)際各方各面仍舊大力投入量子計(jì)算，并且，從前幾年開(kāi)始，就一點(diǎn)一點(diǎn)地拿出成績(jī)：今年7月初，谷歌在官方博客宣布，公司在量子計(jì)算方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展；月底，研究人員在Nature發(fā)表論文，介紹了可編程的量子計(jì)算機(jī)；8月，牛津大學(xué)也發(fā)表論文，宣布在量子計(jì)算方面取得進(jìn)展。

　　然而，現(xiàn)在仍不清楚，這會(huì)在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)變成現(xiàn)實(shí)。Innovate UK 的 Murray 說(shuō)：“谷歌認(rèn)為，它會(huì)在3年內(nèi)發(fā)展出一個(gè)能展現(xiàn)量子超能力的量子計(jì)算機(jī)，并且在5年內(nèi)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用上進(jìn)行部署。大多數(shù)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)認(rèn)為，第一代量子計(jì)算機(jī)（基于超導(dǎo)量子比特）會(huì)在15年內(nèi)變得可行，并且有用。”

　　Murray 在 Innovate UK中的位置非常有趣，因?yàn)樨?fù)責(zé)的事情包括：作為對(duì)量子科技感興趣的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和企業(yè)中間人，并負(fù)責(zé)英國(guó)政府在2013年開(kāi)始設(shè)置的3.6億美元量子科技資金的分配。

Murray 解釋說(shuō)，大家對(duì)量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)的爭(zhēng)議主要集中在：解決現(xiàn)有的一些技術(shù)難題還需要多長(zhǎng)時(shí)間、核心技術(shù)的擴(kuò)展有多快，現(xiàn)在的10個(gè)量子位在實(shí)際使用時(shí)受到很大限制，需要擴(kuò)展到上百萬(wàn)個(gè)量子位，才能解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

　　“我認(rèn)為，一旦基礎(chǔ)性的、有良好編程并且只有少數(shù)量子位的系統(tǒng)被研究出來(lái)，就會(huì)吸引很大的投資，這將能非常快地推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展”，他說(shuō)。“在20年的時(shí)間內(nèi)，我最期待終端的計(jì)算機(jī)能擁有‘量子能力‘，不管是通過(guò)云還是一個(gè)量子聯(lián)合處理器’，這將會(huì)大大地提高計(jì)算機(jī)處理這些困難的能力。”

　　ISARA CEO Scott Totzke 也說(shuō)：“現(xiàn)實(shí)中，大多數(shù)有實(shí)力在量子計(jì)算上一搏的政府和機(jī)構(gòu)都在不斷縮短他們的預(yù)期時(shí)間線，現(xiàn)在都在呼吁出臺(tái)切實(shí)可行的安全解決方案了。”Totzke 堅(jiān)信“企業(yè)應(yīng)該為量子時(shí)代做好準(zhǔn)備”。

　　IPsoft 的 Ekici 也表示同意，雖然量子計(jì)算要走出研發(fā)階段大概還需要十年，但“時(shí)刻注意”很重要。“20年前，我們根本無(wú)法制作現(xiàn)在的人工智能”，Ekici 說(shuō)：“20年后，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出如今的這些基礎(chǔ)設(shè)施和框架，運(yùn)行現(xiàn)在的人工智能。誰(shuí)說(shuō)再過(guò)20年，不能發(fā)生劇變呢？”

　　《華爾街日?qǐng)?bào)》今天發(fā)表文章《中國(guó)的最新躍進(jìn)不僅是步子大，而且是一項(xiàng)巨大的科技突破》，里面提到“身為量子物理學(xué)家的日內(nèi)瓦大學(xué)教授 Nicolas Gisin說(shuō)，在研制量子衛(wèi)星方面一直存在著一場(chǎng)國(guó)際競(jìng)賽，中國(guó)很有可能將贏得這場(chǎng)比賽。他說(shuō)，量子衛(wèi)星的成功發(fā)射再次顯示，中國(guó)有能力實(shí)施雄心勃勃的大項(xiàng)目，并能實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)”。

今年7月，美國(guó)一批科學(xué)、防務(wù)、情報(bào)和其他領(lǐng)域官員為國(guó)會(huì)撰寫的一份報(bào)告稱，美國(guó)聯(lián)邦政府每年用于量子研究的經(jīng)費(fèi)約為2億美元。報(bào)告說(shuō)，量子科學(xué)的發(fā)展將“提升美國(guó)的國(guó)家安全”。但報(bào)告同時(shí)指出，政府用于這方面的資金時(shí)多時(shí)少限制了美國(guó)在量子科學(xué)研究方面的進(jìn)展。

　　中國(guó)政府沒(méi)有披露為量子研究以及建造此次發(fā)射的這顆量子通信衛(wèi)星花費(fèi)了多少錢。但中國(guó)2015年用于基礎(chǔ)科學(xué)研究的資金達(dá)到1010億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2005年時(shí)的19億美元，這些資金中有一部分就用于量子物理領(lǐng)域。

　　2015中國(guó)計(jì)算機(jī)大會(huì)上，中科院院士、中科大常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉發(fā)表報(bào)告《量子計(jì)算與量子模擬》。潘建偉長(zhǎng)期從事量子光學(xué)等方面的研究工作，是中國(guó)空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃的首席科學(xué)家，其研究成果同倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論等一起選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。

　　潘建偉介紹，由于高精度量子操控技術(shù)的極端復(fù)雜性，目前量子計(jì)算研究仍處在早期發(fā)展階段，像經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣具有通用功能的量子計(jì)算機(jī)最終能否成功，對(duì)整個(gè)科學(xué)界還是個(gè)未知數(shù)。

　　但理論研究表明，與通用量子計(jì)算機(jī)相比較，量子模擬機(jī)這樣一類針對(duì)解決一些重大問(wèn)題的專用量子計(jì)算機(jī)，在量子比特?cái)?shù)目等方面的技術(shù)要求并沒(méi)有那么高。例如，對(duì)“波色取樣”這樣的問(wèn)題，一旦達(dá)到50個(gè)左右光子的糾纏，量子模擬機(jī)的計(jì)算能力就能超過(guò)目前最快的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)。潘建偉說(shuō)，量子模擬具有重大實(shí)用價(jià)值，可為人類開(kāi)發(fā)新材料和新能源提供重要指導(dǎo)，孕育和推動(dòng)物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域新一代技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革，有望在10至15年內(nèi)取得重大突破。

　　以下是潘建偉 2015CNCC 報(bào)告全文。

【潘建偉】上午好！ 非常高興能夠到中國(guó)計(jì)算機(jī)大會(huì)上給大家介紹我們的工作。這個(gè)會(huì)場(chǎng)非常震撼，因?yàn)槲沂歉阄锢矸矫娴难芯浚覀円话汩_(kāi)會(huì)就幾百人，這里開(kāi)會(huì)幾千人。今天我報(bào)告的題目是“量子信息技術(shù)的前沿進(jìn)展”。

　　上個(gè)世紀(jì)在自然科學(xué)方面（不僅僅是物理學(xué)）有兩個(gè)重大發(fā)現(xiàn)：量子力學(xué)與相對(duì)論。量子力學(xué)與相對(duì)論第一個(gè)重要應(yīng)用是在核能方面，1945年首顆原子彈爆炸成功，隨后有氫彈、中子彈的成功研制。在這個(gè)過(guò)程中，物理學(xué)尤其是量子物理不經(jīng)意跟計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)系在一起了。在原子彈理論計(jì)算過(guò)程中，需要大量的計(jì)算，當(dāng)時(shí)在馮諾伊曼的架構(gòu)下，形成了現(xiàn)代通用的計(jì)算機(jī)雛形。隨后對(duì)于量子物理學(xué)家和理論物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們希望能夠把相對(duì)論和量子力學(xué)綜合起來(lái)，來(lái)探索宇宙的起源。在對(duì)大統(tǒng)一的理論檢驗(yàn)過(guò)程中，需要有大型的粒子加速器，這個(gè)地方每天都產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。當(dāng)時(shí)我還是本科生，做理論物理的研究，需要通過(guò)電話線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺澜绺鱾€(gè)地方進(jìn)行處理。從某種意義上這構(gòu)造了因特網(wǎng)雛形，最后形成了今天的互聯(lián)網(wǎng)的概念。

　　另外，我們知道對(duì)相對(duì)論進(jìn)行檢驗(yàn)，需要構(gòu)建非常精密的原子鐘，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，我構(gòu)造了兩臺(tái)原子鐘，一臺(tái)放在一樓，一臺(tái)放在樓頂，地球轉(zhuǎn)的時(shí)候，上下速度不一樣，過(guò)一段時(shí)間對(duì)它進(jìn)行檢驗(yàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)在天上的原子鐘比在地面的原子鐘走的要慢一些。所以在利用量子力學(xué)來(lái)構(gòu)建原子鐘的過(guò)程中，就有非常精確的時(shí)間概念，而有了時(shí)間概念就可以進(jìn)行導(dǎo)航。

　　20世紀(jì)，在研究和應(yīng)用量子力學(xué)相對(duì)論的過(guò)程中，所催生的信息科學(xué)已經(jīng)為人類文明帶來(lái)了巨大進(jìn)步。隨著技術(shù)的發(fā)展，物理學(xué)家遇到了所謂的瓶頸。摩爾定律告訴我們，不久的將來(lái)半導(dǎo)體晶體管的尺寸會(huì)達(dá)到納米級(jí)，電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不再遵循傳統(tǒng)的經(jīng)典的電動(dòng)力學(xué)，那半導(dǎo)體的計(jì)算規(guī)則就不可靠了。量子力學(xué)扮演著重要的角色，所以我經(jīng)常會(huì)思考，未來(lái)的計(jì)算機(jī)會(huì)是怎么樣的？

　　與此同時(shí)，在信息科學(xué)方面，有信息安全的瓶頸。比如說(shuō)芯片可以有后門，在光纖當(dāng)中也可以對(duì)光路進(jìn)行無(wú)感竊聽(tīng)，對(duì)服務(wù)器也可以進(jìn)行竊聽(tīng)，世界存在著各種各樣的竊聽(tīng)和黑客攻擊模式。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以對(duì)信息進(jìn)行加密，但隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算能力的增加，傳統(tǒng)上認(rèn)為很難破解的東西很容易就被破解了。這樣一來(lái)，我們一直在尋求一種在原理上可以無(wú)條件安全的通信模式。網(wǎng)絡(luò)犯罪每年給全球帶來(lái)數(shù)千億美元的經(jīng)濟(jì)損失，這是美國(guó)戰(zhàn)略和國(guó)際問(wèn)題研究中心的評(píng)估，更不用講在國(guó)防安全和其他方面的重要性了。

　　非常有意思的是，在量子力學(xué)前期的應(yīng)用過(guò)程中，不經(jīng)意地催生了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展。慢慢的信息技術(shù)積累了新問(wèn)題，量子力學(xué)在100年的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，已經(jīng)為解決這些重大問(wèn)題做好了準(zhǔn)備。這就是我今天想介紹的主要內(nèi)容，量子信息科技。

　　所謂的量子，它非常簡(jiǎn)單：構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，能量的最基本攜帶者。它有一個(gè)基本特征是不可分割性，比如說(shuō)燈光照過(guò)來(lái)，每秒會(huì)發(fā)射出數(shù)萬(wàn)萬(wàn)億的光子。什么意思？這個(gè)能量衰減的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)光這個(gè)東西也是一顆顆小顆粒，跟水分子、氫原子一樣，有不可分割的特性。

　　我們每天生活的信息單元，一個(gè)比特，0或者1加載1個(gè)比特的信息。經(jīng)典世界里面，每一個(gè)存儲(chǔ)源只能處于0或者1的狀態(tài)。但是到了量子世界去的時(shí)候，在某一個(gè)存儲(chǔ)源里面可以處于兩個(gè)狀態(tài)的相關(guān)疊加。具體來(lái)說(shuō)，可以用光子（偏振態(tài)）做一個(gè)比喻。光在傳播過(guò)程中以每秒鐘30公里飛行，波會(huì)沿著兩個(gè)方向振動(dòng)，水平振動(dòng)、豎直振動(dòng)，水平叫做1，豎直叫做0的話，光子會(huì)沿著45度振動(dòng)。45度對(duì)應(yīng)0+1的狀態(tài)，它就跟平時(shí)計(jì)算機(jī)里面信息單元的基本規(guī)律不一樣了。有了這個(gè)問(wèn)題后，對(duì)于光子來(lái)說(shuō)，極化態(tài)可以處于水平偏振和豎直偏振之外。這個(gè)后果是量子不可克隆定理：未知的量子態(tài)沒(méi)辦法進(jìn)行測(cè)量，量子有兩個(gè)基本特性，一個(gè)是不可分割，一個(gè)是不可被精確的復(fù)制。

　　比如說(shuō)潘建偉今天可以在合肥開(kāi)會(huì)，同時(shí)我可以出現(xiàn)在北京，我在合肥叫0，在北京叫1，我只能處于某個(gè)地方。到量子世界里可以同時(shí)這兩個(gè)狀態(tài)的相關(guān)疊加，可以同時(shí)處于這兩個(gè)地方。愛(ài)因斯坦為代表的科學(xué)家認(rèn)為這種觀點(diǎn)是錯(cuò)的，認(rèn)為量子力學(xué)出問(wèn)題了。他舉了一個(gè)例子，如果一個(gè)粒子可以處于0和1的疊加，兩個(gè)粒子可以處于00和11狀態(tài)的疊加，有了這種狀態(tài)后，一個(gè)后果就是量子糾纏。比如說(shuō)今天大會(huì)主席在合肥，我在北京，我們兩個(gè)有量子糾纏的這兩個(gè)色子，做實(shí)驗(yàn)之后，叫遙遠(yuǎn)距離之間的詭異互動(dòng)。我們不僅能操縱0和1，還能操縱0+1，0-1，00+11的狀態(tài)。

　　這樣的話新學(xué)科就誕生了，叫量子力學(xué)科學(xué)。從理論的萌芽到現(xiàn)在已經(jīng)有將近30年的歷史了，主要有三方面的作用。一是量子通信，可以實(shí)現(xiàn)原理上是無(wú)條件安全的信息的傳輸；二是量子計(jì)算，可以具有超快的計(jì)算能力，這個(gè)信息擁有0和1之外，還有0+1的狀態(tài)。三是量子精密測(cè)量。

　　這兩個(gè)技術(shù)加在一起。如果把光子拿走了，張三送光子，李四收不到了，信號(hào)就丟失了，這是一種情況。第二種情況，這個(gè)竊聽(tīng)者說(shuō)我復(fù)制一個(gè)跟原來(lái)這個(gè)一模一樣的，這個(gè)時(shí)候就會(huì)不可避免的引入噪聲，通過(guò)噪聲的檢查，發(fā)現(xiàn)竊聽(tīng)者的存在。因?yàn)榱孔硬豢煞指睢⒉豢煽寺。梢栽谠砩媳ＷC比較安全，實(shí)現(xiàn)加密內(nèi)容不可破譯的保密通信。密鑰不可隨時(shí)產(chǎn)生，不可破譯。

　　密鑰分發(fā)的安全怎么保證？這是20年之后的事情，2009年的時(shí)候理論上證明了，只要因果律成立，量子密鑰分發(fā)的安全性就是嚴(yán)格得到證明的。什么叫因果性？就是不能超光速飛行，因?yàn)槌馑亠w行時(shí)光就可以倒流，就可以回到從前。這樣的話，它的安全性是由物理學(xué)的基本原理所保證，到目前為止，因果性是物理里面一條最寶貴的原則。

　　另外，可以用于量子計(jì)算，在經(jīng)典計(jì)算機(jī)里面一個(gè)比特處于0和1，如果說(shuō)有N個(gè)比特的話，到量子世界就可以有2的N次方個(gè)比特的相關(guān)疊加，對(duì)數(shù)據(jù)的處理可以實(shí)現(xiàn)量子并行性，有了量子并行性就可以設(shè)計(jì)一些特殊的算法。

　　比如說(shuō)大數(shù)分解的算法。它也可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)人工智能方面的工作，比如說(shuō)求解一個(gè)10個(gè)20次方的變量的方程組的話，利用天河2號(hào)需要100萬(wàn)，但是利用量子計(jì)算器的話0.01秒就可以了。

　　研究普適的量子計(jì)算機(jī)需要很長(zhǎng)的時(shí)間，我們希望短期的物理學(xué)方面的研究取得一些有效的進(jìn)展。在80年有一位物理學(xué)家菲曼教授指出，如果把宇宙當(dāng)中所有原子構(gòu)建成非常大的一臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的話，那么連300個(gè)兩能級(jí)粒子的計(jì)算都模擬不了。這時(shí)候可以用可控的方式構(gòu)造人造量子系統(tǒng)，可以搞一個(gè)光晶格，里面裝300個(gè)原子，用武力看它的演化，最后測(cè)量的結(jié)果對(duì)應(yīng)著計(jì)算的結(jié)果。量子的模擬，我想在不久的將來(lái)，也許5年、10年就會(huì)有很好的結(jié)果出來(lái)。這種情況下，可以在新能源、新材料的機(jī)制方面，可以起到非常好的推動(dòng)作用。

　　最后，簡(jiǎn)要介紹一下這個(gè)領(lǐng)域另外一個(gè)應(yīng)用，叫量子精密測(cè)量。量子精密測(cè)量可以廣泛運(yùn)用時(shí)間、磁場(chǎng)，各種物理學(xué)的測(cè)量。比如說(shuō)加速度的測(cè)量，對(duì)速度進(jìn)行積分就可以知道3維具體在什么地方。目前用原子疊加構(gòu)建精確的加速度計(jì)，目前實(shí)驗(yàn)室條件最好的精度達(dá)到10的負(fù)12個(gè)加速度計(jì)。如果用量子導(dǎo)航儀的話，哪怕精度不要10的負(fù)12，如果到10的負(fù)12，100天后的精度達(dá)到米的量級(jí)。這樣的話，就可以進(jìn)行自主導(dǎo)航。

　　前面介紹了這個(gè)領(lǐng)域簡(jiǎn)要的研究?jī)?nèi)容。在實(shí)驗(yàn)上要真正實(shí)現(xiàn)這些東西，其實(shí)非常困難。比如說(shuō)在量子密鑰分發(fā)上，我們要把單光子制造出來(lái)就非常困難，激光管每秒鐘發(fā)出來(lái)的光是10的16次方，一個(gè)一個(gè)抓出來(lái)，加載信息，傳輸出去在實(shí)驗(yàn)上是非常大的挑戰(zhàn)，一般我們用準(zhǔn)單光子源，把激光衰減，保證每一個(gè)脈沖里面有一個(gè)光子的概念非常小。如果竊聽(tīng)著把一個(gè)光子截?cái)啵瑑蓚€(gè)光子拿走一個(gè)，剩下一個(gè)送走，就會(huì)有雙子速的分離攻擊。2005年之前，在前面將近20年當(dāng)中，量子密鑰分發(fā)本身進(jìn)展非常緩慢，因?yàn)樗搅?0公里之后，每1000秒只能送一個(gè)碼，而且只能做10公里，根本沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。

　　到2005年的時(shí)候，理論上有一些新的進(jìn)展，利用所謂的（誘騙態(tài)）的量子分發(fā)理論，大家把安全密鑰分發(fā)的情況，在理想的單光子得不到的情況下，拓展到了100公里，隨后這個(gè)距離拓展到200公里，就有了初步的實(shí)用價(jià)值了。

　　國(guó)內(nèi)的很多團(tuán)隊(duì)，包括我們團(tuán)隊(duì)、科大的團(tuán)隊(duì)，北京、廣州的一些相關(guān)團(tuán)隊(duì)都做了這方面比較好的工作。到了2012年的時(shí)候，我們?cè)诤戏蕵?gòu)建了一個(gè)覆蓋6000平方公里的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)基本上證實(shí)了，它可以滿足萬(wàn)用戶密鑰分發(fā)的安全需求，隨后在小范圍里面開(kāi)展了試點(diǎn)。

　　從2012年開(kāi)始，構(gòu)建了基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)，在北京已經(jīng)投入了永久運(yùn)營(yíng)了，十八大、今年的閱兵都提供了重要的信息安全保障。

　　當(dāng)然，這個(gè)技術(shù)只適用于的城域網(wǎng)，覆蓋的范圍很小，怎樣才能夠把這個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步擴(kuò)大？隨后我們開(kāi)展了一些新的工作，比如說(shuō)在可信中繼的幫助下，保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都安全的情況下，構(gòu)建大尺度的通信骨干網(wǎng)工程。目前中國(guó)科大跟有關(guān)單位合作，正在推動(dòng)在金融、國(guó)防、信息安全方面的應(yīng)用，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將在2016年底全線開(kāi)通，通過(guò)前期的測(cè)試后，希望在不久的將來(lái)能夠投入運(yùn)營(yíng)和使用。

　　光源的問(wèn)題解決后，大家以為很安全了。但是到2010年的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)理論的安全性跟實(shí)際的安全性有差距。發(fā)射端是安全的，但是在接收端有一個(gè)強(qiáng)光攻擊，竊聽(tīng)者可以通過(guò)強(qiáng)的信號(hào)讓你的探測(cè)器在他希望給出信號(hào)的時(shí)候才給出信號(hào)。這樣一來(lái)他就可以攻擊接收方，讓他希望你看到的密鑰你才能看到，這樣的話就會(huì)掌控你的密鑰。2012年這個(gè)問(wèn)題也解決了，可以實(shí)現(xiàn)跟測(cè)量器件無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)。

　　2012年提出來(lái)之后，在2013、2014年先后在實(shí)驗(yàn)室和野外的現(xiàn)場(chǎng)光纖把距離拓展到了200公里，這樣的話就比較好解決了發(fā)射端和接收端的安全性問(wèn)題，到目前量子密鑰分發(fā)的安全性已經(jīng)很好的建立起來(lái)了。

　　下面簡(jiǎn)要的介紹一下量子計(jì)算。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，以光學(xué)系統(tǒng)為例講一下量子計(jì)算的基本原理。在量子信息處理的核心，是希望能夠產(chǎn)生越來(lái)越多的粒子糾纏。比如說(shuō)用現(xiàn)實(shí)的方法概率性的產(chǎn)生兩個(gè)粒子糾纏：01+10。比如說(shuō)可以產(chǎn)生兩對(duì)，2與3之間有一個(gè)極化分速器，黏連一下就可以產(chǎn)生4光子的糾纏。

　　在2007年時(shí)候做了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，15=5×3可以用（Shor算法）來(lái)求解。

　　但我們最希望廣泛的用于線性方程組求解，因?yàn)榫€性方程組的應(yīng)用，可以涉及到工程和科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，我們幾位同事提出了一個(gè)算法，說(shuō)可以利用量子算法。

　　隨后大家又發(fā)現(xiàn)這類算法本身也可以用于量子人工智能的實(shí)驗(yàn)演示。比如說(shuō)可以按照過(guò)網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)一定的規(guī)則進(jìn)行分類，分類之后按照規(guī)律進(jìn)行表示，比如說(shuō)綠色代表好的郵件，紅色的代表不好的郵件，現(xiàn)在又收到新的郵件，你不想看它，怎么分類呢？可以把它投影到某個(gè)始量上面。

　　因此實(shí)現(xiàn)更多粒子糾纏，前面是概率源，2對(duì)就是0.001，3對(duì)的話概率越來(lái)越低。怎么解決這樣的問(wèn)題？需要產(chǎn)生確定的高品質(zhì)單光子源。2015年的時(shí)候有很好的基于共真熒光的高品質(zhì)光子源，加上光和耦合技術(shù)，大概在2015年可以產(chǎn)生30個(gè)糾纏，大概能達(dá)到3個(gè)CPU的速度。

　　前面講了量子計(jì)算很好，可以利用光學(xué)的概念來(lái)做，我們真的希望可以實(shí)現(xiàn)可升級(jí)的、大尺度的光量信息處理。在量子通信里面，因?yàn)樾盘?hào)不能被放大，所以傳輸?shù)?00公里的時(shí)候，信號(hào)基本上衰減差不多了，所以距離受限。如果說(shuō)用1000公里的光纖，損耗大概會(huì)達(dá)到200個(gè)DB，現(xiàn)在用理想的探測(cè)器，1000公里之后，每100年只能傳輸0.3個(gè)光子，有效性非常差，效率受限，難以擴(kuò)展。

　　怎么來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題？有兩種途徑，可以用自由空間的量子通信，來(lái)克服在光纖通道里面的損耗。因?yàn)樵诖髿鈱永锩妫?0來(lái)公里的大氣層，外部進(jìn)一步真空了，相當(dāng)于水平大氣的10公里左右，80%的光信號(hào)可以穿透大氣層到地面，而且外太空不會(huì)有衰減。天地之間的量子力學(xué)，馬上可以把通信范圍擴(kuò)展到全球的距離。

　　從2004年開(kāi)始，我們就開(kāi)展這方面的工作，先后在2005、2010年證明了，光子在穿透大氣層后，狀態(tài)是不會(huì)受到干擾的，基本上還跟原來(lái)發(fā)送的狀態(tài)是一樣的。

　　隨后，到了2012年的時(shí)候，我們?cè)谇嗪：隽艘粋€(gè)百公里實(shí)驗(yàn)，這個(gè)百公里實(shí)驗(yàn)的損耗跟天對(duì)地的千公里損耗大概是一樣的，證明在高損耗的星地鏈路中進(jìn)行量子通信是可行的。

　　到了2013年的時(shí)候，我們來(lái)驗(yàn)證在衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的情況下，進(jìn)行量子通信的可行性，我們驗(yàn)證了衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)，隨機(jī)振動(dòng)，高損耗的通道，所有的實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)射衛(wèi)星是可行的。

　　目前在中科院的支持下，執(zhí)行一個(gè)量子科學(xué)衛(wèi)星的先導(dǎo)專項(xiàng)。現(xiàn)在正在進(jìn)行研制，這顆衛(wèi)星會(huì)在2016年上半年發(fā)射，在國(guó)際上會(huì)率先實(shí)現(xiàn)高速的星地量子通信。這樣的話，用光纖來(lái)做城域網(wǎng)，用衛(wèi)星來(lái)做廣域網(wǎng)，就可以構(gòu)建天地一體化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

　　發(fā)射衛(wèi)星成本比較高，我們希望有一個(gè)地面的解決方案，所謂的量子中繼，地面不用發(fā)射衛(wèi)星也能夠通過(guò)量子中繼解決問(wèn)題。這需要有三種技術(shù)，一是量子糾纏交換；二是量子糾纏純化；三是量子存儲(chǔ)。這三個(gè)技術(shù)結(jié)合在一起，可以解決光子數(shù)損耗和概率性的資源消耗，以及相關(guān)問(wèn)題。利用量子中繼也可以實(shí)現(xiàn)確定性的多光糾纏產(chǎn)生，它本身也可以用于量子計(jì)算和量子模擬等。

　　2008年，我們?nèi)〉昧吮容^好的進(jìn)展。2007年提出了一個(gè)方案，可以比較穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)適用于遠(yuǎn)距離量子通信和量子中繼的方案。把光通過(guò)光纖送到中繼站，做所謂的黏連，剩下在百公里之外的量子可以糾纏在一起，這樣的話就可以解決中繼的問(wèn)題，解決通道損耗。目前的進(jìn)展已經(jīng)能夠滿足600公里的量子中繼需求，就是說(shuō)從前直接傳送信號(hào)需要200公里，現(xiàn)在可以做600公里無(wú)中繼的量子密鑰分發(fā)。這個(gè)東西要實(shí)用化還需要一定的距離。

　　在這個(gè)基礎(chǔ)上，要實(shí)現(xiàn)有效的量子計(jì)算，需要引入哈密頓量，讓這些光子之間相互作用起來(lái)。光子之間的耦合是非常弱的，光在空間中碰到幾乎沒(méi)有相互作用。怎么模擬這個(gè)復(fù)雜的物理體系？有了原子和原子之間的糾纏，把所有的原子裝在光晶格里面，通過(guò)光的操縱實(shí)現(xiàn)可精確控制的原子和原子之間的相互作用，而且把原子的內(nèi)部狀態(tài)作為量子比特，可以操縱、存儲(chǔ)和讀取。這種情況下就可以方便實(shí)現(xiàn)大量原子間的量子糾纏。而且在引入原子之間相互作用的情況下，可以自由的構(gòu)造演化計(jì)算的哈密頓量，有效模擬復(fù)雜的物理系統(tǒng)。

　　最近，我們?nèi)〉梅浅：玫倪M(jìn)展。這里面演示一下我們抓到了大概幾千個(gè)原子，在光晶格里面，通過(guò)干涉讓中間的某一個(gè)光晶格下降，通過(guò)兩個(gè)光晶格的電子隧穿，可以產(chǎn)生源自于原子之間的糾纏。產(chǎn)生糾纏之后，就可以通過(guò)對(duì)每個(gè)原子把臨近的兩兩原子，再隧穿一次，可以產(chǎn)生鏈條上的原子糾纏。目前剛剛產(chǎn)生了兩兩原子之間的糾纏，已經(jīng)取得了比較好的結(jié)果，在20年之內(nèi)會(huì)產(chǎn)生50—100個(gè)粒子的糾纏。

　　我們可以通過(guò)自旋軌道，利用原子和原子之間的相互作用，來(lái)模擬電子在電磁場(chǎng)中的作用。從前有一些在理論上算不了，目前在實(shí)驗(yàn)上可以直接把它測(cè)出來(lái)；過(guò)去用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)測(cè)不了，現(xiàn)在可以直接測(cè)出來(lái)，用可控的方式實(shí)現(xiàn)特殊意義上的量子模擬機(jī)。

　　量子的模擬機(jī)可以對(duì)應(yīng)到某些量子計(jì)算，或者某些計(jì)算復(fù)雜度的算法上面。目前為什么Google非常重視量子模擬呢？因?yàn)閷?lái)可以用于人工的量子智能方面相關(guān)的研究。隨后，會(huì)有一些更雄心的做法，希望能夠研究自旋量子效應(yīng)，甚至揭示高溫超導(dǎo)的機(jī)制。

　　目前國(guó)際上的態(tài)勢(shì)，前一陣子國(guó)防部首席技術(shù)官發(fā)布了五年計(jì)劃，其中六大顛覆性的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一，就是量子信息和量子調(diào)控，因?yàn)橛星捌诘墓ぷ鳎锌拼蟾鶬BM、日本的NTT公司等機(jī)構(gòu)列為比較有影響力的機(jī)構(gòu)之一。

　　在量子通信方面，除了我們國(guó)家在構(gòu)建京滬干線和量子衛(wèi)星之外，包括德國(guó)、意大利、加拿大、日本、新加坡等也有相關(guān)的計(jì)劃。美國(guó)Battelle商業(yè)量子通信網(wǎng)絡(luò)公司，跟Google、IBM、微軟合作，開(kāi)展量子通信網(wǎng)絡(luò)這方面的工作。

　　另外，也有一些相關(guān)的公司開(kāi)始介入了，除此之外，比如說(shuō)微軟、Google也都成立了量子計(jì)算的研究中心、量子人工智能實(shí)驗(yàn)室等等，開(kāi)展了相關(guān)的工作。也就是說(shuō)，目前除了原來(lái)前期有政府、國(guó)防部門介入，后面也有公司和大學(xué)的合作，也有公司自己開(kāi)展相關(guān)的工作。

　　我們希望通過(guò)三到五年的努力，解決基于中繼量子通信的問(wèn)題，隨著量子衛(wèi)星的發(fā)射可以初步開(kāi)展星地量子實(shí)驗(yàn)，大概通過(guò)十年左右的努力，應(yīng)該能夠構(gòu)建高速率實(shí)用化的光域化的網(wǎng)絡(luò)。

　　將來(lái)也許會(huì)有一個(gè)天地一體的全球量子通信基礎(chǔ)設(shè)施，在量子保密通信的支持之下，構(gòu)建一個(gè)有安全保障的互聯(lián)網(wǎng)。

　　在量子計(jì)算方面，我們?cè)趦伞⑷曛畠?nèi)應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)20—30個(gè)量子比特的相關(guān)操作，大概在10年左右，我們有信心能夠產(chǎn)生50—100個(gè)比特的量子相關(guān)操縱。這種情況下，它對(duì)某些特定問(wèn)題的求解方面，已經(jīng)可以做一些超級(jí)計(jì)算機(jī)所做不了的事情。

　　引用2014年《自然雜志》發(fā)布的文章，說(shuō)“量子計(jì)算機(jī)造出來(lái)也許需要很漫長(zhǎng)的時(shí)間，但是利用量子模擬來(lái)揭示高溫超導(dǎo)和高效氫固化等機(jī)制來(lái)指導(dǎo)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，在不久的將來(lái)也許已經(jīng)會(huì)有比較可觀的經(jīng)濟(jì)效益了。”這些技術(shù)可以自然的用于量子精密測(cè)量當(dāng)中，比如說(shuō)可以用于潛艇的自主導(dǎo)航、飛行器的自主導(dǎo)航等等，將來(lái)也許會(huì)在自主導(dǎo)航方面發(fā)揮比較重要的作用。來(lái)源：新智元