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展望十四五 量子科技加速走向实用化——第182期广州科普大讲坛今日开讲!

来源:广州市科学技术协会 发布时间:2021-04-26 浏览量:577

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近年来,量子科技发展突飞猛进,成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技,对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。在2020年10月16日,中共中央政治局就围绕量子科技研究和应用前景举行了第二十四次集体学习,目的是了解世界量子科技发展态势,分析我国量子科技发展形势,更好推进我国量子科技发展。据赵总介绍,“十二五”、“十三五”期间,我国在量子科技方面就给予了很大的支持和投入,特别在“十三五”期间,国家布局了一系列量子通信和量子计算的科研项目,并推进项目的工程转化。


赵勇提到,不仅在中国,量子科技在全球来说都是一个重点的发展领域,包括英美日韩在内的科技发展国家先后都启动了国家量子技术计划,积极地进行布局,量子科技已然成为各国间科技竞争的主赛道。

 

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其实量子科技并不是新近出现的学科领域,实际上它已经服务人类100多年。X射线透视成像、半导体产业发展、信息存储,这些技术都是人类基于对量子科学的认识和发展而产生的。随着科学技术的发展,人类逐步进入到量子科技的新领域。根据摩尔定律,单位面积集成电路上的晶体管数量每18个月会翻番,人类科技必将进入更精细的系统,到比纳米更小的尺寸,组成物质最基本的单元。在这种微观系统下,物理规律已经与人类在宏观世界掌握的有所不同。“那么什么是量子?”赵总介绍到,“我们一方面可以把量子理解成一个形容词,比如说量子物理、量子力学或者量子世界,那么这个‘量子’可以等效地认为就是微观的系统,量子力学就是微观世界的运动规律;另一方面,量子不对应特定的某一种粒子,它是所有微观粒子整体的统称。”


赵勇举例简单介绍了量子世界中量子态的不可分割,量子态的叠加、不可复制以及量子态的纠缠等三个有趣的特征,这些特征使得人类在进入微观世界后可以获取到不同的技术能力。值得注意的是,近年来社会上出现了许多诸如量子速读、量子水杯、量子袜的所谓量子产品,实际上这些产品并没有涉及微观层面技术的应用,属于“伪量子”。


目前随着技术能力的发展,人类已经实现对微观系统的直接利用,例如对单个量子的状态进行人工制备,对多个量子间的相互作用进行主动调控。这些技术与信息技术相结合,诞生了量子信息科学这一新的研究方向。


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通过操纵微观系统,人类可以突破信息和物质科学技术的经典极限,从而实现无条件安全的通讯、计算能力的飞跃以及超越经典极限的精密测量,这也分别对应了目前量子信息领域发展的三个不同方向的学科,量子通信、量子计算、量子探测。


在量子计算方面,谷歌于2019年底发布了谷歌“悬铃木”53比特超导量子计算系统,求解随机线路采样问题耗时约200秒,而超级计算机No. 1 Summit即使优化后也需两天时间,而中国的中科大团队则于2020年利用光学的方式实现了光子量子计算系统——九章号量子计算机,求解波色采样问题耗时约200秒,而超级计算机No. 1 富岳估计约6亿年。


计算能力的飞跃也对信息安全带来了挑战,“量子安全”成为新一代密码技术的关键特征之一。人类亟需发展新的信息技术以抵御量子计算的威胁,其中一种是后量子密码学,其特点是可以通过软件实现,但缺点是只能够抵御已知量子算法;另一种是基于量子通信技术实现的量子密钥分发,是一种硬件实现。由于其利用的是物理规律而非数学难题,广义的量子计算无法破解,因此具备长期的安全性。量子密钥分发技术与现代密码技术的结合可以实现量子安全技术,随着量子通信网络基础设施的完善,量子技术为用户带来的安全价值也将得以充分实现。



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构建全球化的量子通信网络是大势所趋。人类通过光纤实现的城域量子通信网络,通过中继器连接的城际量子通信网络,通过卫星中转实现的远距离量子通信,搭建起广域量子通信网络,而在这方面,中国已经走过了从科研到产业化的道路。2006年中国实现了世界首例安全通信距离超过100km;2008年中国在合肥建成首个量子电话网;2009年中通信安全距离提高到超过200km,同时在合肥建成全通型城域量子通信;2013年中国建成达到56个节点的济南城域量子通信网络;2016年中国建成连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地的量子保密通信骨干线路——京沪干线。从早期点对点通信的增强,再到规模化组网的使用,量子通信网络在很多重要的场合里已经进行了实践和验证。


赵勇介绍,2018年国家发改委就启动了新一代信息基础设施中的国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程,以量子保密通信“京沪干线”和“墨子号”量子科学实验卫星为基础,在京津冀、长江经济带等重点区域建设量子保密通信骨干网及城域网,形成量子保密通信骨干环网,其中主要包括了北京-雄安-武汉-广州的干线,以及合肥-上海的复线建设。


在国际上,中国也在积极谋求合作,2017年9月,利用“墨子号”量子科学实验卫星,在中国和奥地利之间首次实现距离达7600公里的洲际量子密钥分发,并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力,为未来构建全球化量子通信网络奠定了坚实基础。


2021年是“十四五”的开局之年。展望“十四五”,赵总表示,希望中国能构建完整的天地一体广域量子通信网络技术体系,推动量子通信技术在国防、政务、金融和能源等领域率先加以广泛应用,实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接,为形成具有国际引领地位的战略性新兴产业和下一代国家信息安全生态系统奠定基础。


目前在量子科技方面,中国与国际上的其他主要科技国家处于同等阶段,在某些领域甚至处于比较靠前的地位。赵总表示,他很有信心,在新一代的科技创新中,中国的科技工作者一定会为世界贡献出属于中国的一份力量,在新一代的科技成果中,有中国不可缺少的贡献。




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