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潘建伟专访:构筑量子互联网

潘建伟专访:构筑量子互联网

原创:Philip Ball | NSR专栏 / 知识分子

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潘建伟。Credit:潘建伟

撰文 | Philip Ball

翻译 | 李丽旻

校译 | 段兆晨

 

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自二十世纪初诞生以来,量子力学似乎一直是一个独特的、不可直接感知的物理分支,它从最微观的尺度解释物质(例如原子、光子与亚原子粒子)的运行规律。然而在人类社会所有的工程实践中,经典物理学规律都发挥着主导作用,其中所有物体都有其确定的位置、轨迹和属性。

 

然而,在过去几十年中,科学家们开始将量子规律应用于实用科技领域。1985年,物理学家理查德·费曼提出,使用量子规律的计算机可能具有超出现有传统计算机的计算能力。几乎同时,也有研究者表明,利用量子态编码的信息能够以一种加密的方式从传送者送达接收者,中途不能在不被察觉的情况下被拦截或读取。现在,量子计算机和量子密码学已经成为了现实世界中量子信息科技的核心部分,可能很快就能应用到科学、工业和社会领域中。

 

随着具有量子信息处理能力的全球信息互联网,也就是量子互联网的启动,这些应用将越来越可能变为现实。在这一领域的研究中,中国位居前列,而中国科学技术大学教授潘建伟院士正是其中一位重要的科学引领者。潘建伟师从量子信息领域的开拓者安东·塞林格(Anton Zeilinger),在维也纳获得博士学位,之后便将这一新兴技术带回了中国。2012年,潘建伟获得国际量子通信奖;2017年,他入选《自然》年度“十大科学人物”;同年7月,潘建伟和他的团队报道了从地面基站到距离1400千米的卫星的“量子隐形传态”。

 

《国家科学评论》(National Science Review, NSR)近日对潘建伟院士进行专访,探讨了他的研究成果以及量子信息科技的发展前景。

量子互联网是什么?

“量子隐形传态是从一个粒子向另一个粒子远距离传递未知量子态的方式,这一过程不需要传递粒子本身。”

NSR:量子互联网已经成为了一个流行的概念,它的含义是什么?

潘:众所周知,互联网是用于传递、处理和储存经典信息的全球性系统。量子互联网则可以对量子信息进行同样的传递、处理和存储。量子互联网首要的实际任务是以一种无条件安全的方式进行全球性的密钥共享(也就是说,量子信息是完全防篡改的)。量子比特和量子纠缠(量子比特互相关联的状态)将是量子互联网的基本资源。这一系统将实现众多量子信息任务,包括任意节点之间的量子隐形传态、分布式量子计算和高精度量子测量。

 

NSR:量子互联网将用到量子物理中的哪些原理?

建立量子信息理论的基础原理是量子叠加。量子叠加让一个量子比特不仅能够表现出0或1的传统比特状态,也能够呈现出其他任意中间状态。传统意义上,一个比特要么处于0要么处于1的状态,但在量子世界,量子比特可以处于0+1的叠加态,或者同时处于0和1的其他不同组合状态。一个基本的原理是说,没有一个单一的测量方法能够揭示一个未知量子比特的所有信息。这也就引出了量子不可克隆定理,这一定理表明一个未知的量子态不能够被精确地复制。当一个量子系统由两个或多个量子比特组成时,量子叠加就成为了量子纠缠,这使得态空间呈指数增加。不确定原理和不可克隆原理是量子通信、量子计算和量子互联网的基石。

量子隐形传态是从一个粒子向另一个粒子远距离传递未知量子态的方式,这一过程不需要传递粒子本身。假设,有一对量子纠缠的粒子a和b,在A和B这两个位置间进行信息交换。接下来,有一个未知的量子比特c, 需要从A点传递到B点。要达到传递的目的,我们在点A对粒子a和c进行联合测量,之后根据联合测量的结果对粒子b进行相应操作。这样一来,未知的信息在粒子c处就会被“销毁”,并“传递”到粒子b。然而,要读取在B点接收到的信息就需要首先获取在A处粒子a和c测量后获取的信息。这一量子信息只能通过传统方式进行传递,速度不能超过光速。换句话说,尽管量子纠缠的坍缩,也就是将粒子c的状态传递到粒子b上是立刻发生的,但量子隐形传态不能以快过光速的速度传递信息。

量子互联网的组成要素

“我们相信,一个实用的量子计算机能够在未来几十年内建成。”

NSR:量子互联网需要哪些主要技术?现有的光纤和卫星建设是否能够支持这一技术?还需要哪些其他基础建设?

 

潘:通常情况下,量子互联网将由可以处理和储存量子信息的节点与传递量子信息的信道组成。这些节点十分复杂,并且高度依赖于它们的实际应用场景。比如说,量子密钥分发(QKD)是量子信息的第一个实际应用。在中国,量子京沪干线网络已经建成并投入使用。一个QKD终端必须能够产生、操纵和测量单个光子。

 

最好传递量子比特的粒子(形成“飞行比特”)就是光子。光子最大的优势在于,现在的激光通信已经相当成熟并已有很多光学基础设施能够投入使用——因此你说的对,现有的光纤信道确实是可以使用的。然而,要应用在量子互联网上,还需要对这些线路进行巨大的调整,尤其是针对各个节点。其中卫星是极其难被调整的,我们还需要发射新的卫星 [调试后用于量子通信和处理]。也有部分案例表明,量子载荷可以加入到现有已规划的卫星上,比如说GPS卫星或欧洲伽利略卫星等。

 

NSR:使用量子规则编码信息,主要是为了让互联网通信更加安全,还是有其他的好处?

潘:短期内的目标确实是让通信变得更加安全。但量子信息可以做更多事情。我们相信,一个实用的量子计算机能够在未来几十年内建成。通过量子互联网,量子云计算将成为未来的基本资源。

 

NSR:现在已经取得了哪些成果?未来还有哪些重要目标需要完成?

潘:我们已经建成了量子安全通信京沪干线。作为世界上第一条长距离量子安全通信线路,这条线路已经在2017年9月投入使用。这条城际量子通信线路连接了北京、济南、合肥和上海,长度超过2000千米,由32个中继站组成。通过这一线路,数据能够在保证信息理论安全的情况下进行传输。更多的骨干网络和城域网正在计划建设。我们还在2016年8月16日发射了第一颗量子科学卫星“墨子号”。我们已经在墨子号和多个地面站之间进行了量子密钥分发,这些地面站位于中国的北京、德令哈、南山,以及奥地利的格拉茨和西班牙的特内里费等。我们还同时借助京沪干线和墨子号,实现了洲际量子密钥分发。越来越多的卫星将发射并组成一个全球性网络。

 

量子互联网是个工程问题吗?

“我们甚至对基本的量子叠加现象都没有完整的认识。”

NSR:目前,我们是否已经对量子互联网背后的原理有完整的认识?量子互联网的建设还需要更多量子物理领域的新发现,还是已经只是一个工程问题?

 

潘:我们甚至对基本的量子叠加现象都没有完整的认识。然而,这并不会阻碍人们将现有量子力学领域知识投入实际应用。量子密钥分发网络的建设已经接近于工程问题,但是尽管如此,在这个相对成熟的领域中也会不断有新概念出现。至于未来的技术,比如量子计算等,我们仍然知之甚少。未来的量子互联网可能和我们现在想象的完全不一样。我认为这就是科学的魔力。

 

NSR:量子网络和量子计算机之间存在关联吗,还是说它们是完全分开的?比如说,会有一个基于量子的通信系统让分布式量子计算变成现实吗?

潘:是的,会这样。我相信量子计算机会成为量子互联网的重要部分。量子计算机建造成本高昂,至少在早期,它将仅通过量子互联网提供公共服务。在这个场景中,用户能够通过量子互联网接入到量子计算机,通过传递量子比特上传任务并下载结果。这也就是量子云计算的概念。

量子互联网的国际竞赛

“我将不遗余力地推荐聪慧的年轻学者进入这一领域。”

NSR:国际范围内对量子互联网的投入情况如何?是否需要国家间的合作?国际上有哪些主要的研究中心?

 

潘:量子互联网包含很多理论和科技。从短期目标来看建立一个保证全球安全通信的量子互联网,我们需要考虑现有实际设备的缺陷问题。我们需要更好的协议将工程上的缺陷降至最低。我们需要更加廉价和优质的设备,提升现有性能,并能够在极端环境里使用。我们希望量子信道广泛分布,而且易于使用,包括光纤和卫星两者。我很难想象有任何国家在没有国际合作的情况下能够单独接受这些挑战。我们在中国有一个很棒的团队,也有很多优秀的团队分布在全世界。现在已经有很好的国际合作来攻克这些问题了。

 

NSR:中国是这一领域中的领军者。从未来经济、金融、商业等领域增长的角度看,现在中国政府是否将这一技术视作一项尤为重要的科技?

 

潘:是的,我们从中国政府获得了很强劲的支持。就像我之前提到的,我们已经建设并投入使用了京沪干线网络,正在银行、证券、保险等实用领域进行试用。超过150个用户正在使用这一干线进行安全信息传输。也正如我之前说过的,我们已经发射了第一颗量子科学卫星“墨子号”。

 

NSR:您认为这一领域在20年以后会发展到什么程度?

潘:未来,量子密钥分发的成本将急剧降低。量子密钥分发的设备将更加小型化,也将适合个人使用。量子密钥分发将成为一个用于加密的通用技术,在日常生活中广泛使用。量子计算机和量子模拟器将建立,并作为公共服务用于特定的任务,就像现在的超级计算机一样。在那时,我认为能对巨大数字,比如2048比特进行因式分解的通用(多用途的)量子计算机可能仍不存在,但我们将知道这样一台通用量子计算机会是什么样的,而且也会知道为了实现这一目标需要解决哪些问题。

 

NSR:有哪些人或者事引领你进入了这一研究领域?您会推荐年轻学者进入这一领域吗?

潘:量子力学相关的基础研究,以及可能出现的实际应用都是十分重要的课题。我进入这一领域的最初的动机在于,作为一名实验科学家,我希望对量子力学规律做基础检验,去理解量子力学如何及为什么与经典物理不同。然而,可能的量子力学实际应用也深深吸引了我,这些应用将能够极大地影响我们的生活。互联网的发明将人类带入信息时代,量子互联网则将提供另一个能够真正改变世界的机会。它能够带来一场科技革命。我将不遗余力地推荐聪慧的年轻学者进入这一领域。

原文地址:https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwy102/5105762

本文英文原文已在线发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR ),原标题为"Jian-Wei Pan: building the quantum internet",本文小标题为编者所加。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR和牛津大学出版社授权刊发该文中文翻译。

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