我们的征途是“星辰大海”(下)
“墨子号”任务之三：量子隐形传态—“星际穿越”不再是梦想
时空穿越一直是人类的梦想。在量子世界中，这种时空穿越的现象真的存在，這就是“墨子号”的第三个实验—量子隐形传态。量子隐形传态是一种全新的通信方式。通俗来讲，就是将甲地的某一个粒子的量子态信息在乙地的另一个粒子上还原出来，就好像是进行了一场“星际穿越”，但粒子本身并未被传送。1997年，奥地利安东·塞林格团队率先完成量子隐形传态实验，当时年轻的潘建伟也是团队成员之一。现在我国科学家通过“墨子号”量子卫星，首次实现千公里级的量子隐形传态，为未来开展空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。
“京沪干线”：世界首条量子保密通信干线
2017年9月29日，世界首条量子保密通信干线—“京沪干线”正式开通。当日，结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路，我国科学家成功实现了洲际量子保密通信。这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形，向未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。建成后的“京沪干线”，连接北京、上海，贯穿济南和合肥，形成全长2000多公里的量子通信骨干网络，并通过北京接入点实现与“墨子号”的连接。“京沪干线”全线路密钥率大于20千比特/秒，可满足上万用户的密钥分发业务需求，已实现北京、上海、济南、合肥、乌鲁木齐和奥地利科学院6点间的洲际量子通信视频会议。
量子通信“京沪干线”示意图
2017年12月18日，《自然》杂志公布的“2017年改变世界的十大科学人物”中，量子“京沪干线”和“墨子号”量子卫星首席科学家潘建伟成为唯一入选的中国科学家。《自然》杂志评论，潘建伟引领中国走到了远距离量子通信的最前沿
2017年9月29日下午，在“京沪干线”北京控制中心，中国科学院院长白春礼使用量子加密视频会议系统，分别与合肥、济南、上海、乌鲁木齐等地成功地进行了通话。随后，白春礼又通过“墨子号”量子科学实验卫星与奥地利地面站的卫星量子通信，并与奥地利科学院院长安东·塞林格进行了世界首次洲际量子保密通信视频通话。这次通话使用的量子密钥，信号是这样“走”的：先通过“京沪干线”北京控制中心与“墨子号”卫星兴隆地面站连接，打通天地一体化广域量子通信的链路，然后通过“墨子号”与奥地利地面站的卫星量子通信，来到7000公里以外的欧洲。
“京沪干线”与“墨子号”卫星，已成功构建出我国的天地一体化广域量子通信网络雏形。以“京沪干线”为基础，我国将推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的大规模应用，建立完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统，最终构建基于量子通信安全保障的量子互联网。此外，“京沪干线”的建成和开通也将吸引和培育一批量子保密通信领域的上下游企业，使量子保密通信产业成为我国重要的战略性新兴产业。
世界首台量子计算机原型机在中国诞生
2017年11月，美国IBM公司宣布推出全球首款50个量子比特的量子计算机原型机，量子计算领域的竞争进入关键阶段。在IBM公司宣布成果的半年前，即2017年5月3日，我国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学潘建伟院士及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组，成功构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机原型机，实现10个超导量子比特纠缠，在操纵质量上也是全球领先。这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。
为什么要研究量子计算机？从1970年到 2005年，正如摩尔定律预测的一样，每18个月集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍，计算机的性能也相应提升近一倍。但2005年后这种趋势就开始放缓，极其微小的集成电路面临散热等问题考验。
量子计算机电子线路
如果按这个趋势继续发展，当集成电路的尺寸接近原子级别的时候，电子的运动也不再遵守经典物理学规律，这个时候量子力学将起到主导作用。量子计算利用量子相干叠加原理，在原理上具有超快的并行计算和模拟能力，计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。传统计算机要100年才能破解的难题，量子计算机可能仅需1秒。由于量子计算的巨大潜在价值，欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源，开展协同攻关，同时，大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也强势介入量子计算研究。
如果“量子称霸”实现，人类计算能力将迎来飞跃，接下来会在多个领域推广。一些行业巨头已经盯上了量子计算未来应用：阿里巴巴建立了量子计算实验室；中国科学院与阿里云合作发布量子计算云平台；IBM宣布计划建立业界首个商用通用量子计算平台，还与摩根大通等公司合作，计划在2021年前推出首个在金融领域的量子计算应用。
“我相信量子技术在21世纪的重要性可与上个世纪的‘曼哈顿计划’相比。”潘建伟院士说。也就是说，量子技术可能像“曼哈顿计划”造出原子弹那样改变世界格局。
时空穿越一直是人类的梦想。在量子世界中，这种时空穿越的现象真的存在，這就是“墨子号”的第三个实验—量子隐形传态。量子隐形传态是一种全新的通信方式。通俗来讲，就是将甲地的某一个粒子的量子态信息在乙地的另一个粒子上还原出来，就好像是进行了一场“星际穿越”，但粒子本身并未被传送。1997年，奥地利安东·塞林格团队率先完成量子隐形传态实验，当时年轻的潘建伟也是团队成员之一。现在我国科学家通过“墨子号”量子卫星，首次实现千公里级的量子隐形传态，为未来开展空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。
“京沪干线”：世界首条量子保密通信干线
2017年9月29日，世界首条量子保密通信干线—“京沪干线”正式开通。当日，结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路，我国科学家成功实现了洲际量子保密通信。这标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形，向未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。建成后的“京沪干线”，连接北京、上海，贯穿济南和合肥，形成全长2000多公里的量子通信骨干网络，并通过北京接入点实现与“墨子号”的连接。“京沪干线”全线路密钥率大于20千比特/秒，可满足上万用户的密钥分发业务需求，已实现北京、上海、济南、合肥、乌鲁木齐和奥地利科学院6点间的洲际量子通信视频会议。
量子通信“京沪干线”示意图
2017年12月18日，《自然》杂志公布的“2017年改变世界的十大科学人物”中，量子“京沪干线”和“墨子号”量子卫星首席科学家潘建伟成为唯一入选的中国科学家。《自然》杂志评论，潘建伟引领中国走到了远距离量子通信的最前沿
2017年9月29日下午，在“京沪干线”北京控制中心，中国科学院院长白春礼使用量子加密视频会议系统，分别与合肥、济南、上海、乌鲁木齐等地成功地进行了通话。随后，白春礼又通过“墨子号”量子科学实验卫星与奥地利地面站的卫星量子通信，并与奥地利科学院院长安东·塞林格进行了世界首次洲际量子保密通信视频通话。这次通话使用的量子密钥，信号是这样“走”的：先通过“京沪干线”北京控制中心与“墨子号”卫星兴隆地面站连接，打通天地一体化广域量子通信的链路，然后通过“墨子号”与奥地利地面站的卫星量子通信，来到7000公里以外的欧洲。
“京沪干线”与“墨子号”卫星，已成功构建出我国的天地一体化广域量子通信网络雏形。以“京沪干线”为基础，我国将推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的大规模应用，建立完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生态系统，最终构建基于量子通信安全保障的量子互联网。此外，“京沪干线”的建成和开通也将吸引和培育一批量子保密通信领域的上下游企业，使量子保密通信产业成为我国重要的战略性新兴产业。
世界首台量子计算机原型机在中国诞生
2017年11月，美国IBM公司宣布推出全球首款50个量子比特的量子计算机原型机，量子计算领域的竞争进入关键阶段。在IBM公司宣布成果的半年前，即2017年5月3日，我国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学潘建伟院士及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组，成功构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机原型机，实现10个超导量子比特纠缠，在操纵质量上也是全球领先。这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。
为什么要研究量子计算机？从1970年到 2005年，正如摩尔定律预测的一样，每18个月集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍，计算机的性能也相应提升近一倍。但2005年后这种趋势就开始放缓，极其微小的集成电路面临散热等问题考验。
量子计算机电子线路
如果按这个趋势继续发展，当集成电路的尺寸接近原子级别的时候，电子的运动也不再遵守经典物理学规律，这个时候量子力学将起到主导作用。量子计算利用量子相干叠加原理，在原理上具有超快的并行计算和模拟能力，计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。传统计算机要100年才能破解的难题，量子计算机可能仅需1秒。由于量子计算的巨大潜在价值，欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源，开展协同攻关，同时，大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等也强势介入量子计算研究。
如果“量子称霸”实现，人类计算能力将迎来飞跃，接下来会在多个领域推广。一些行业巨头已经盯上了量子计算未来应用：阿里巴巴建立了量子计算实验室；中国科学院与阿里云合作发布量子计算云平台；IBM宣布计划建立业界首个商用通用量子计算平台，还与摩根大通等公司合作，计划在2021年前推出首个在金融领域的量子计算应用。
“我相信量子技术在21世纪的重要性可与上个世纪的‘曼哈顿计划’相比。”潘建伟院士说。也就是说，量子技术可能像“曼哈顿计划”造出原子弹那样改变世界格局。