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中国量子技术 “只有在一两个点 走在世界前列”

2016-12-26 07:16:55 第一财经日报  钱童心

  由潘建伟院士带领的中国科技大学量子技术科研团队近日发表最新研究成果,在国际上首次实现十光子纠缠,再次刷新了光子纠缠态制备的世界纪录。

  这也是今年该团队继发射量子科学实验卫星后,再次创造世界纪录。尽管已经成为国际上量子领域的引领者,但潘建伟仍然十分谦逊。他说:“目前我们国家只有在一两个点走在世界的前列,还不敢说领先,量子技术要达到国际上广泛认可的领先还要花10~20年。”

  鬼魅的超距作用

  此前,八光子纪录同样由潘建伟院士带领的中国科学技术大学量子技术科研团队中陆朝阳、陈宇翱等研究组成员创造,并保持4年之久。该团队的“多光子纠缠和干涉度量学”去年还获得了国家自然科学一等奖,并成为历史上获此殊荣最年轻的团队。

  多粒子纠缠操纵作为量子信息处理基本能力的核心指标,能够系统性地应用于量子通信、量子计算等多个研究方向,一直是国际角逐的焦点。此次研究成果还将应用于大尺度量子信息技术

  “多光子纠缠”,顾名思义,就是让多个光子产生纠缠,这是利用光子做量子隐形传态和量子计算的必要前提。量子力学中“纠缠”指的是多粒子的一种叠加态。当两个粒子发生纠缠,就会形成一个双粒子的叠加态,也就是一个“纠缠态”。在没有外界干扰的情况下,无论两个粒子相隔多远,纠缠态都可以存在,因此量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”(spookyactionatadistance),并以此来质疑量子力学的完备性(因为违反了他提出的“定域性”原理)。但是,后来每一次实验都证实了量子力学的正确性,非定域的量子纠缠可以存在,定域性原理必须舍弃。

  中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科学技术大学上海研究院副研究员张文卓在回答第一财经记者解释时表示:“随着量子信息学的诞生,量子纠缠成为量子通信和量子计算的核心。”

  十光子的意义

  张文卓表示,针对量子信息处理尤其是光量子计算的需求,纠缠的光子数自然是越多越好。在实验上,光子纠缠需要对光子源产生的光子通过各种光学干涉的方法来获取,这就是“多光子纠缠”和“多光子干涉度量学”成为一个整体课题的原因。产生纠缠的光子数越多,干涉和测量的系统也就越复杂,实验难度也就越大。

  把双光子干涉产生纠缠的方法层层累加,扩展到更多的光子,就可以形成更多光子的纠缠。中国科学技术大学公开资料显示,潘建伟团队从2004年开始,一直保持着纠缠光子数的世界纪录。2004年在世界范围内首次实现了五光子纠缠,2007年在世界范围内首次实现了六光子纠缠,2012年又在世界上第一个实现了八光子纠缠,并且保持该纪录至今。

  由于光子产生和光学干涉测量的概率都是随着光子数指数上升,所以每增加一个纠缠光子,光学干涉系统就要复杂一倍,纠缠的产生难度也会随着光子数指数上升。该团队以多光子纠缠技术为基础,在自由空间量子通信领域实现了世界首个百公里级的量子纠缠分发和量子隐形传态,在量子计算领域实现了世界上首个光量子Shor算法和拓扑量子纠错。

  但“多光子纠缠和干涉度量学”这仅仅是潘建伟院士团队的一部分工作。2016年,该团队承担研制的世界首颗“量子科学实验卫星”的发射升空,将实现世界首个星地间的量子保密通信和量子隐形传态。同时,缘于该团队技术成果的世界首个量子保密通信主干网络“京沪干线”也将于明年初建成。

  京沪干线在路上

  中国科学技术大学陈宇翱教授在12月24日的一场由潘建伟院士发起的“墨子沙龙”的科普活动上接受第一财经记者采访时表示,京沪干线开通后就将进入实质性的运营阶段。“比起开通,商业化运营意义更为重大,好比造了大楼得要有人住进来才行。”陈宇翱说,“接下来就不是学校的项目了,京沪干线本来就是实用化的试点,发改委支持产业化就是希望建了以后有人愿意花钱来买。如果有银行愿意付钱来用,才能算是真正的成功。”

  量子保密通信对于金融领域的意义重大,那么银行究竟愿意花多少钱来买?据陈宇翱介绍,目前北京到上海的不带保密功能的裸带宽均价是带宽2.5G每年1亿元人民币,而新的采用量子保密技术的宽带能够提供100G的加密带宽,按目前的均价来计算,价值约40亿,而这仅仅是一家银行需要支付的价格。

  潘建伟院士在墨子沙龙上表示,他的团队在未来会带给中国和全世界更多的惊喜。他介绍了目前团队在量子通信、量子计算和精密测量等方面的进展。潘建伟说:“量子通信技术通过加密后要传输任务,是直接面向应用的。量子科学实验卫星首先追求极高的指标,首试完成后,除了完成量子密钥分发,还要完成量子力学的检验以及地星之间的量子隐形传态。虽然量子隐形传态是面向未来的,是几百年之后的事情,但是我现在必须要开始想起来了。”

  潘建伟还介绍称,除了量子通信之外,他的团队还在进行量子精密测量的工作。他举例道:“例如直升机在大海上飞行时可以看到水底下的潜艇的活动。按照现在的技术水平,陀螺装在潜艇里,过一两周就要浮上水面接受天上的北斗卫星位置的校准,而如果使用量子测量,一百天的误差也只有几百米,不用浮上来,也就不容易被发现踪迹。”此外,量子的精密测量还将用于癌细胞早期的监测、原子钟时间的传输等等。

  目前量子通信和量子计算国家都已经成立重大科研项目。在量子计算领域,潘建伟团队已经和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子计算联合实验室”,在保持光量子计算世界领先地位的同时,将大力推动我国量子计算整体研究水平。

  此外,针对未来星地一体化网络的建设、是否还将发射多颗量子卫星,量子科学实验卫星工程常务副总设计师、卫星总指挥、中科院上海分院副院长王建宇对第一财经记者表示:“量子的很多科学技术难点在墨子号量子卫星中已经得到解决,但是科学卫星是做实验用的,后一步怎么做,一定要有应用。高轨同步卫星就是下一步的目标,在更高的轨道上量子通信的时间增加,真正实现实用化。虽然在更高轨道的量子通信的传输技术上肯定有难度,但是我们现在已经讨论出技术解决办法,结果在5~10年后就会揭晓。”

(责任编辑:张功成 HN092)
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