“其實(shí),過去的一百多年,量子力學(xué)的發(fā)展,所催生的各種技術(shù)已經(jīng)徹底改變了我們的生活。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸朝陽教授告訴科技日報(bào)記者。
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直道超車,量子通信跑在世界前列

2019-09-25 08:31:03

來源: 科技日報(bào)

  高冷的量子物理和我們的生活有什么關(guān)系?

  “其實(shí),過去的一百多年,量子力學(xué)的發(fā)展,所催生的各種技術(shù)已經(jīng)徹底改變了我們的生活。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸朝陽教授告訴科技日報(bào)記者。

  時鐘回?fù)苤寥昵埃悄?月我國發(fā)射了世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

  國際上幾乎所有最重要的媒體,如BBC、《紐約時報(bào)》《自然》《科學(xué)美國人》等,都報(bào)道了這一事件,并將之評為改變世界的十個重大科學(xué)事件之一。《華爾街日報(bào)》也以“沉寂了一千年,中國誓回發(fā)明創(chuàng)新之巔”為題進(jìn)行報(bào)道。

  隨之,以量子衛(wèi)星為代表,來自中國的一系列量子信息技術(shù)成果,也直接或者間接觸發(fā)了歐洲和美國的加大投入:歐洲正式啟動了量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目,美國也通過了“國家量子行動法案”。

  在“第二次量子革命”占有一席之地

  我們今天使用的計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、手機(jī)的芯片,其基本的計(jì)算單元是晶體管,就是基于量子力學(xué)中的能帶理論發(fā)明的。激光也來源于量子力學(xué),我們使用的硬盤、LED發(fā)光等,都依賴于量子力學(xué)。

  “但是之前的這些量子技術(shù),都是基于量子規(guī)律的宏觀應(yīng)用。”陸朝陽說,最近幾十年,物理學(xué)發(fā)展到新的階段,即使有百億億個光子,我們在實(shí)驗(yàn)室里也可以精準(zhǔn)地控制到一個一個的光子、一個一個的原子。

  “這些技術(shù)正在催生‘第二次量子革命’的一些新技術(shù),包括安全通信、量子計(jì)算、精密測量等技術(shù)。”陸朝陽說,“‘第一次量子革命’,因?yàn)闅v史原因,中國并沒有太多的參與。但現(xiàn)在‘第二次量子革命’就是一個非常好的機(jī)遇,是一個能夠使我們從之前的跟隨者、模仿者變?yōu)橐I(lǐng)者的機(jī)會,而中國科學(xué)家已經(jīng)牢牢地占有了一席之地”。

  在中國建世界一流的量子實(shí)驗(yàn)室

  1996年,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉剛?cè)W地利留學(xué)。

  一天,潘建偉興沖沖地去找他的導(dǎo)師安東·塞林格,說自己通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)了一個有趣的理論方案。講完這個方案后,安東問他有沒有聽說過“量子隱形傳態(tài)”,潘建偉說不知道。

  由于當(dāng)時互聯(lián)網(wǎng)水平的限制和國際期刊在國內(nèi)的普及程度不夠,在不知道1993年Bennett等人的相關(guān)論文的情況下,潘建偉重新獨(dú)立推導(dǎo)出了量子隱形傳態(tài),這是量子信息中的一個核心方案。

  從到達(dá)因斯布魯克的第一天開始,導(dǎo)師安東就問潘建偉:留學(xué)夢想是什么?他回答說:“要在中國建立一個世界一流的量子實(shí)驗(yàn)室”。

  時光飛逝,20多年過去了。在中科院、科技部、基金委、教育部等部門的支持下,潘建偉的這個夢想正一步步邁向現(xiàn)實(shí)。

  “2002年,我們的團(tuán)隊(duì)只有5個人。從2006年開始,很多年輕的學(xué)生被派到世界各地,在國際先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)新技術(shù)。”陸朝陽說,2009年,潘建偉老師剛剛參加完《復(fù)興之路》的主題展,就激動地給幾乎所有在海外的學(xué)生發(fā)了一條短信,希望我們能夠回國為民族復(fù)興盡力。

  2011年,這些派往海外的學(xué)子基本都回到了國內(nèi)。后來發(fā)生的事情有目共睹。“我們團(tuán)隊(duì)主要的研究路線,是從量子基礎(chǔ)研究開始,然后進(jìn)入應(yīng)用基礎(chǔ)研究,再慢慢地把一些能夠直接應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)投入實(shí)踐應(yīng)用,反哺社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。”陸朝陽說。

  高水平論文數(shù)量快速增長

  量子的糾纏,是量子通信和量子計(jì)算的基礎(chǔ)。“在多光子糾纏領(lǐng)域,我們一直在國際上保持領(lǐng)先地位,目前,我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了18個光量子的糾纏。”陸朝陽告訴記者,利用國際一路領(lǐng)先的多光子糾纏和干涉技術(shù),中國團(tuán)隊(duì)在2017年實(shí)現(xiàn)了第一臺在“波色取樣”這個特定任務(wù)上能夠超越最早期兩臺經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)。這是邁向“量子霸權(quán)”先期基礎(chǔ)測試的一步。

  “我們一直在做的不是彎道超車,而是直道超車。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星是直道超車的一個非常好的范例。”陸朝陽說,最開始在論證的時候,有些專家會問國外有沒有開展這樣的研究。很多人的看法是,國外開展研究了,我們才開始研究。

  2017年,“墨子號”實(shí)現(xiàn)了從北京到維也納7600公里的量子保密通信。基于量子衛(wèi)星和“京滬干線”,我國首次描繪了天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)藍(lán)圖。于是,很多國外的機(jī)構(gòu),包括歐洲、美國研究機(jī)構(gòu),主動找來要求加入合作項(xiàng)目。

  “此外,我們在量子計(jì)算和精密測量方面也做了比較系統(tǒng)的布局,利用超冷原子能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化的量子模擬技術(shù)。”陸朝陽告訴記者,利用超導(dǎo)量子計(jì)算探索和攻關(guān)通用的量子計(jì)算機(jī),目前我國團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做到了12個超導(dǎo)量子比特的糾纏。

  這意味著什么?在平時新聞里人們可能會聽到,IBM做到了50個量子比特,谷歌做到了72個,但他們所宣稱的量子比特?cái)?shù)目還不能形成量子糾纏,也就意味著,并不能用于真正意義上的量子計(jì)算。

  2007年,《新科學(xué)家》雜志在其《中國崛起》專刊里提道:“中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)——因而也是整個中國——牢牢地在量子計(jì)算的世界地圖上占據(jù)了一席之地。”

  2012年,《自然》年度十大科技亮點(diǎn)中說“標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起,10年前不起眼的國家,發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅”。之后的2013年、2015年、2017年乃至2018年,我國量子科研團(tuán)隊(duì)的原創(chuàng)成果都分別入選國際上的重大進(jìn)展:美國物理學(xué)會“2013年度亮點(diǎn)”;英國物理學(xué)會“2015年度突破”;《自然》“2017年度國際重大科學(xué)事件”……

  從1998年開始,我國在量子信息領(lǐng)域高水平論文數(shù)量已經(jīng)增長了80多倍。陸朝陽說,這也是新中國在科技方面的巨大進(jìn)步,尤其是改革開放40年里進(jìn)步的縮影。(科技日報(bào) 記者吳長鋒)

  

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