量子科技三大領域 潘建偉院士團隊帶你一次讀懂
來源：科學大院
作者：潘建偉院士團隊
(文章刊載於《學習時報》2022年3月2日第6版)
編者按：
“量子”已經是當下的熱門研究領域。作爲吃瓜羣衆的你，可能用過“遇事不決，量子力學”的梗，也可能交過“量子茶杯”的智商稅……不過，到底量子科技是什麼？你知道嗎？
近期，學習時報圍繞量子信息科技主題，特約潘建偉院士團隊撰寫《量子通信：未來自主可控信息安全生態的重要保障》《量子精密測量：測量精度突破經典技術極限》《量子計算：後摩爾時代計算能力提升的解決方案》三篇科普文章，對量子信息科技進行了較爲完整的介紹和展望。
一起來學習這三篇文章吧！
量子通信：未來自主可控信息安全生態的重要保障
作者：徐飛虎 彭承志 潘建偉
信息安全是事關國計民生的重大戰略領域。傳統的信息安全通過依賴於計算複雜度的加密算法來實現，然而隨着計算能力的飛速發展，依賴於計算複雜度的傳統加密算法面臨着日益加劇的安全風險。
基於量子密鑰分發的量子保密通信是迄今唯一原理上無條件安全的通信方式。量子密鑰分發是指利用量子態來加載信息，通過一定的協議產生密鑰。量子力學基本原理保證了密鑰的不可竊聽，從而實現安全的量子保密通信。量子保密通信的安全性基於物理學基本原理，與計算複雜度無關，即使未來強大的量子計算機問世也不會對其安全性形成威脅。
量子保密通信是最先走向實用化和產業化的量子信息技術。通過量子密鑰分發所生成的安全密鑰，除了原理上無條件安全的“一次一密”加密方式外，還可以與經典對稱加密算法相結合，兼顧安全性與通信速率。例如，按照現有技術水平，量子密鑰分發與AES(高級加密標準)加密算法相結合，可以達到Gbps(交換帶寬)的通信速率，同時大幅提升種子密鑰的更新率，有效提升通信安全水平。此外，也可與下一代的“PQC(抗量子計算密碼)”相結合，增強身份認證等的安全性。
廣域量子通信的發展路線
量子通信的發展目標是構建全球範圍的廣域量子通信網絡體系。通過光纖實現城域量子通信網絡，進而通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接，最終通過衛星平臺的中轉實現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網絡的發展路線。
在城域量子通信網絡方面，中國科學技術大學先後建成國際上首個全通型城域量子通信網絡、首個量子政務網以及首個規模化城域量子通信網絡，並在這一過程中將相關技術發展成熟，自主研製的量子保密通信裝備已經爲很多重要活動提供了信息安全保障。
在基於可信中繼的城際量子通信網絡方面，國際上首條遠距離光纖量子保密通信骨幹網“京滬幹線”，於2016年底全線貫通。幹線全長2000餘公里，連接北京和上海，貫穿濟南、合肥等地。在沿線金融、政務、電力等部門的合作下，開展遠距離量子保密通信的技術驗證與應用示範。在“京滬幹線”應用示範的基礎上，國家發展改革委於2018年2月批覆了“國家廣域量子保密通信骨幹網絡”項目，將覆蓋京津冀、長三角、粵港澳、成渝等重要區域，推動量子保密通信的規模化應用。
在星地自由空間量子通信方面，在中國科學院的支持下，中國科學技術大學聯合中科院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院等單位，研製成功世界上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。“墨子號”於2016年8月發射升空，在國際上率先實現了星地量子通信，首次實現了距離達7600公里的洲際量子通信，充分驗證了基於衛星平臺實現全球化量子通信的可行性。利用“墨子號”積累的成功經驗，量子衛星的研製成本已由數億元降到千萬元量級，預計2022年初小型化量子衛星將發射升空，爲構建低成本的星羣奠定基礎。地面接收站的重量也已由十幾噸降到100公斤左右，可初步支持移動量子通信。
結合“墨子號”量子衛星與“京滬幹線”，我國率先構建了天地一體化廣域量子保密通信網絡的雛形，成爲近年來國際量子信息研究的一大標誌性事件。
量子通信技術應用推廣
2020年10月16日，中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習，習近平總書記主持學習並指出，“統籌基礎研究、前沿技術、工程技術研發，培育量子通信等戰略性新興產業，搶佔量子科技國際競爭制高點，構築發展新優勢”。“京滬幹線”和“墨子號”量子衛星等，都是基於我國前期，10餘年的基礎和應用研究成果而進行的工程化集成與驗證項目，爲核心器件的自主研發、相關應用標準的制定和未來規模化的應用起到了良好的示範效果，穩步推進了量子保密通信在商業和國家安全領域的應用。
在覈心量子通信器件方面，中國電子科技集團有限公司、中國科學技術大學、中科院上海微系統與信息技術研究所等實現了通信波段單光子探測器和量子隨機數產生器等主要器件的初步國產化，打破了國外禁運的壁壘。在未來2至3年，通過關鍵器件的芯片化，量子加密設備的尺寸可縮小到手機大小，並大幅降低成本。
相關應用標準制定方面，在我國50餘家科研機構和企業的積極參與下，中國通信標準化協會、全國信息安全標準化技術委員會、密碼行業標準化技術委員會等國家標準組織，圍繞量子保密通信技術的互聯互通、安全測評、應用服務等方面，編制了多項國家標準和行業標準。我國學者突破了美加等西方國家的阻礙，在國際電信聯盟發起成立了國際首個涵蓋量子信息全領域的標準化組織，目前正在牽頭編制多項國際標準。
量子通信技術發展前景
近年來，我國學者在單光子雷達領域已取得了一批具有國際影響力的成果：突破了常溫下探測紅外單光子的量子效率極限，實現了遠距離紅外單光子大氣雷達探測；實現了大氣風場的晝夜連續探測，並創造了200公里的單光子成像最遠距離世界紀錄。同時，利用單光子雷達能夠對隱藏在視線外的物體進行觀測，即“非視域成像”，實現“隔牆觀物”，在反恐防暴、緊急救援等領域具有廣泛的應用前景;實現了遠距離非視域成像，首次將成像距離從米級提高到公里級，極大地推動了非視域成像技術的實用化發展。量子通信研究中發展的單光子探測技術還可以極大地提升傳統激光雷達的探測靈敏度、探測距離、分辨率等性能，即“單光子雷達”。單光子雷達可以實現對遠距離、高精度軟目標(大氣)和硬目標(物體)的探測，已經在對地測繪、遠程預警、全球態勢感知、大氣污染檢測和預報、航空航天作業等領域發揮了重要作用。
得益於我國率先開展了廣域量子通信的技術驗證與應用示範，網絡技術已初步滿足實用化要求，核心器件的國產化和設備的小型化已初步實現，具備了在關鍵部門先行先試的條件。在激烈的國際競爭環境下，當前正是我國加快推進量子保密通信應用，儘早形成信息安全非對稱優勢的最佳時機。通過10年左右的努力，我國有望構建完整的廣域量子通信網絡技術體系，爲形成未來自主可控的國家信息安全生態提供重要保障。
(本文刊載於《學習時報》2022年1月19日第6版)
量子精密測量：測量精度突破經典技術極限
作者：盧徵天 潘建偉
精密測量是科學研究的基礎。可以說，整個現代自然科學和物質文明是伴隨着測量精度的不斷提升而發展的。以時間測量爲例，從古代的日晷、水鍾，到近代的機械鐘，再到現代的石英鐘、原子鐘，隨着時間測量的精度不斷提升，通信、導航等技術才得以不斷髮展，不僅給社會生活帶來極大的便利，也爲新的科學發現提供了利器。因此，更高的測量精度一直是人類孜孜以求的目標。
隨着量子力學基礎研究的突破和實驗技術的發展，人們不斷提升對量子態進行操控和測量的能力，從而可以利用量子態進行信息處理、傳遞和傳感。量子精密測量是利用量子力學規律，特別是基本量子體系的一致性，對一些關鍵物理量進行高精度與高靈敏度的測量。利用量子精密測量方法，人們在時間、頻率、加速度、電磁場等物理量上可以獲得前所未有的測量精度。正是由於量子調控與量子信息技術的發展，2018年第26屆國際計量大會正式通過決議，從2019年開始實施新的國際單位定義，從實物計量標準轉向量子計量標準，這標誌着精密測量已經進入量子時代。
時間頻率的精密測量
高精度時間頻率的測量和應用支撐着相關科學研究的發展、經濟社會的運行和國家安全系統的建設。高精度時頻服務系統是國家戰略資源。
原子鐘所給出的頻率和時間標準是目前測量精度最高的基本物理量。同時，原子鐘精度的提高也帶動其他基本物理量測量、物理常數定義和物理定律檢驗精度的提高，促進了新物理的發現和科學技術的進步。在微波段運行的原子鐘已被廣泛應用於導航、通信等領域。被廣泛使用的衛星定位系統(例如我國的北斗導航系統、美國的全球衛星定位系統GPS等)中的每一顆衛星都載有多臺微波段原子鐘，通過對信號到達的時間做精確測量來給出用戶定位信息。由於在導航系統中的關鍵作用，星載原子鐘被喻爲衛星導航系統的心臟。我國科學家正在積極發展下一代更高精度的星載微波段原子鐘，2018年在國際上首次實現了利用激光冷卻技術的空間冷原子鐘。
由於量子精密測量方法上的突破，在光波段運行的原子鐘(簡稱光鍾)具有更高的精確度與穩定度，有望達到10-21量級(即萬億年的誤差不超過1秒)。光鍾技術在近20年來迅猛發展，例如，美國國家標準局研製的鍶原子光鍾，在不確定度上達到10-18量級、穩定度達到10-19量級，相比微波原子鐘進步了至少兩個數量級;我國科學家發展的鈣離子光鐘的不確定度與穩定度均進入10-18量級。同時，我國已佈局發展空間光鍾，目標是要在太空中把時間頻率測量精度提高兩個數量級。新一代時間測量與傳遞技術將爲洲際光鍾比對、國際“秒”定義的產生作出貢獻，爲未來引力波探測、暗物質探測等物理學基本原理檢驗提供新方法。同時，對光信號的高精度相位控制與測量，也會極大地提升未來星地一體量子通信網絡的信息傳遞速度。
量子導航
慣性導航系統是一種不依賴於外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統，具有高隱蔽性、全時空間工作的優勢，在國家安全等領域具有重要的應用價值。
根據公開報道的當前最好的經典慣性導航技術，水下航行100天之後的定位誤差將達到100千米量級，還不足以支持長時間的完全自主導航。通過對原子的量子調控，基於原子自旋、冷原子干涉效應的量子陀螺儀和重力儀可實現超高靈敏度的慣性測量，有望達到水下航行100天之後的定位誤差小於1千米，實現長時間完全自主導航。因此，基於量子陀螺儀和重力儀的導航系統，在長航時高精度自主導航、前沿物理等領域具有重要應用。此外，高精度的重力測量還可廣泛應用於大地測量、資源勘探等領域。
目前，我國研究人員研製成功的原子自旋陀螺原理樣機，指標與國外公開報道的最高指標相當；可移動原子重力儀精度已接近國際一流水平，小型移動式冷原子重力儀達到了目前國際上野外連續重力觀測的最好水平，爲實現高精度自主導航系統奠定了基礎。
單量子靈敏探測
對單光子、單電子、單原子、單分子等量子系統的高靈敏度探測具有廣泛的應用價值，成爲近年來國際物理學研究的熱點前沿領域。
單自旋探測技術在量子計算、生命科學、材料科學等領域有廣泛應用。我國研究人員利用以金剛石NV色心爲代表的固態單自旋體系實現了同時具有高空間分辨率與高靈敏度的磁場探測技術，在室溫大氣條件下獲得了國際上首張單個蛋白質分子的磁共振譜，爲研究單分子、單細胞層面的生物學問題提供了測量基礎。該技術也可用於探索微觀尺度的磁性質、磁結構等。
單原子探測技術在地球科學、環境監測等領域有廣泛應用。我國研究人員發展了新一代激光原子阱單原子靈敏檢測方法，可以一個一個地數出環境樣品中所含的極微量同位素原子，包括空氣中含量僅爲百億億分之一的氪-81同位素。這一天然示蹤劑被用來幫助瞭解全球與區域性水、冰循環過程，給百萬年的古地下水與冰川定年，爲氣候變化研究、水資源管理提供關鍵數據。
分子包含電子運動、振動和轉動等多個量子化自由度，單分子尺度的量子體系由於具有強烈的空間限域、結構對稱性破缺和顯著的分立能級結構，表現出十分豐富和新奇的量子效應。我國研究人員利用掃描電鏡、原子力顯微鏡、拉曼光譜三種探測方法的聯用，全面揭示了表面上單個分子的結構與變化，在單化學鍵精度上實現了單分子多重特異性的綜合表徵。
近年來，我國學者在量子精密測量方面不斷追趕國際先進水平，技術突飛猛進，成果斐然。譬如，在原子鐘、量子陀螺儀等方面的關鍵技術已經接近國際先進水平;在量子雷達、痕量原子示蹤、弱磁場測量等方面已經達到國際先進水平，並取得了一批國際領先的成果。隨着研究水平的不斷提升和核心競爭力的進一步增強，我國量子精密測量領域將在科學研究、經濟生活和國家安全等重大戰略需求中發揮重要作用。
(文章刊載於《學習時報》2022年2月16日第6版)
量子計算：後摩爾時代計算能力提升的解決方案
作者：朱曉波 陸朝陽 潘建偉
量子計算是基於量子力學的全新計算模式，具有原理上遠超經典計算的強大並行計算能力，爲人工智能、密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供瞭解決方案，並可揭示量子相變、高溫超導、量子霍爾效應等複雜物理機制。
與傳統計算機使用0或者1的比特來存儲信息不同，量子計算以量子比特作爲信息編碼和存儲的基本單元。基於量子力學的疊加原理，一個量子比特可以同時處於0和1兩種狀態的相干疊加，即可以用於表示0和1兩個數。推而廣之，n個量子比特便可表示2n個數的疊加，使得一次量子操作原理上可以同時實現對2n個疊加的數進行並行運算，這相當於經典計算機進行2n次操作。因此，量子計算提供了一種從根本上實現並行計算的思路，具備極大超越經典計算機運算能力的潛力。
類似於經典計算機，量子計算機也可以沿用圖靈機的框架，通過對量子比特進行可編程的邏輯操作，執行通用的量子運算，從而實現計算能力的大幅提升，甚至是指數級的加速。一個典型的例子是1994年提出的快速質因數分解量子算法(Shor算法)。質因數分解的計算複雜度是廣泛使用的RSA公鑰密碼系統安全性的基礎。例如，如果用每秒運算萬億次的經典計算機來分解一個300位的大數，需要10萬年以上;而如果利用同樣運算速率、執行Shor算法的量子計算機，則只需要1秒。因此，量子計算機一旦研製成功，將對經典信息安全體系帶來巨大影響。
量子計算的發展階段
量子計算機的計算能力隨量子比特數目呈指數增長，因此量子計算研究的核心任務是多量子比特的相干操縱。根據相干操縱量子比特的規模，國際學術界公認量子計算有如下發展階段：
第一個階段是實現“量子計算優越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越經典超級計算機，達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。美國谷歌公司在2019年率先實現超導線路體系的“量子計算優越性”。我國則分別於2020年在光量子體系、2021年在超導線路體系實現了“量子計算優越性”。目前，我國是世界上唯一在兩種物理體系達到這一里程碑的國家。
第二個階段是實現專用量子模擬機，即相干操縱數百個量子比特，應用於組合優化、量子化學、機器學習等特定問題，指導材料設計、藥物開發等。達到該階段需要5至10年，是當前的主要研究任務。
第三個階段是實現可編程通用量子計算機，即相干操縱至少數百萬個量子比特，能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發揮巨大作用。由於量子比特容易受到環境噪聲的影響而出錯，對於規模化的量子比特系統，通過量子糾錯來保證整個系統的正確運行是必然要求，也是一段時期內面臨的主要挑戰。由於技術上的難度，何時實現通用量子計算機尚不明確，國際學術界一般認爲還需要15年甚至更長時間。
目前，國際上正在對各種有望實現可擴展量子計算的物理體系開展系統性研究。我國已完成了所有重要量子計算體系的研究佈局，成爲包括歐盟、美國在內的三個具有完整佈局的國家(地區)之一。
超導量子計算實現趕超
目前，美國谷歌公司、IBM公司以及中國科學技術大學是全球超導量子計算研究的前三強。2019年10月，在持續重金投入量子計算10餘年後，谷歌正式宣佈實驗證明了“量子計算優越性”。他們構建了一個包含53個超導量子比特的量子處理器，命名爲“Sycamore(懸鈴木)”。在隨機線路取樣這一特定任務上，“懸鈴木”展現出遠超超級計算機的計算能力。
2021年5月，中國科學技術大學構建了當時國際上量子比特數目最多的62比特超導量子計算原型機“祖沖之號”，並實現了可編程的二維量子行走。在此基礎上，進一步實現了66比特的“祖沖之二號”。“祖沖之二號”具備執行任意量子算法的編程能力，實現了量子隨機線路取樣的快速求解。根據目前已公開的最優化經典算法，“祖沖之二號”對量子隨機線路取樣問題的處理速度比目前最快的超級計算機快1000萬倍，計算複雜度較谷歌“懸鈴木”提高了100萬倍。
其他體系的量子計算研究
離子、硅基量子點等物理體系同樣具有多比特擴展和容錯性的潛力，也是目前國際量子計算研究的熱點方向。我國在離子體系的量子計算研究上起步較晚，目前整體上處於追趕狀態，國內的優勢研究單位包括清華大學、中國科學技術大學和國防科技大學等，在離子阱的製備、單離子相干保持時間、高精度量子邏輯門、多比特量子糾纏等量子計算的基本要素方面積累了大量關鍵技術。我國在硅基量子點的量子計算方向上與國際主要研究力量處於並跑水平。此外，由於拓撲量子計算在容錯能力上的優越性，利用拓撲體系實現通用量子計算是國際上面向長遠的重要研究目標。目前國內外均在爲實現單個拓撲量子比特這一“0到1”的突破而努力。
量子計算的未來發展
在實現了“量子計算優越性”的階段目標後，未來量子計算的發展將集中在兩個方面：一是繼續提升量子計算性能。 爲了實現容錯量子計算，首要考慮的就是如何高精度地擴展量子計算系統規模。在實現量子比特擴展的時候，比特的數量和質量都極其重要，需要實驗的每個環節(量子態的製備、操控和測量)都要保持高精度、低噪聲，並且隨着量子比特數目的增加，噪聲和串擾等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對量子體系的設計、加工和調控帶來了巨大的挑戰，仍需大量科學和工程的協同努力。 二是探索量子計算應用。預計未來5年，量子計算有望突破上千比特， 雖然暫時還無法實現容錯的通用量子計算，但科學家們希望探索在帶噪聲的量子計算(NISQ)階段，將量子計算應用於機器學習、量子化學等領域，形成近期應用。