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中國科學院院士潘建偉:十年實現有量子通訊保障的互聯網

2016年8月16日下午1時40分,我國發射了世界上首顆量子通信衛星“墨子號”。同時,我國京滬幹線量子保密通信骨幹網絡也正在建設。

你可能也關心我國量子通信和量子技術的發展,2016年11月17日,世界互聯網大會大數據論壇上,“墨子號”首席科學家、中國科學院院士、中國科技大學常務副校長潘建偉院士分享了相關進展。

據潘建偉介紹,我國量子密鑰相關技術已經有實際應用案例,而利用十年或者更長一點時間,將可實現有量子通訊保障的互聯網。

量子通信

傳統信息安全依賴於加密算法,不過隨著計算能力增加,傳統加密算法面臨挑戰,而具有不可分割性、不可測量性的量子通信相關技術,可能是未來用來解決信息安全的核心關鍵技術。目前在量子通信領域,我國在理論研究和技術應用等領域均開展了具有領先性的研究。

“今年8月份我們的量子衛星發射之後,已經開展了一些相關的實驗”,潘建偉17日首次披露說,“到目前為止,我們已經非常好地建立了一個天地之間的通路,每秒鐘能夠傳輸的種子密鑰是在2萬個左右。基本上已經能夠滿足一些信息安全傳輸的需要。”

“墨子號”發射之前,我國已經有建立量子光纖網絡建設計劃。潘建偉說,2012年,我國相關技術已能做到覆蓋6000平方公里,支持千節點、萬用戶需求,目前相關系統已投入永久使用。

潘建偉院士介紹地面站和“墨子號”密鑰分發實驗

目前,我國正在構建從北京到上海的量子通信骨幹網絡,“昨天正好是上海到合肥所有之間設備已經完全開通。我們在國際會議上給國外學者做了相關展示,這個是700公里光纖。到今年年底,(北京到上海骨幹網)會完全開通,開通之後可以用於一些銀行的轉賬。”潘建偉說。

量子通信的第一步是通過光纖構建城域網,目前該技術在我國已比較成熟。下一步,將通過量子中繼技術,實現城市間的互聯。

“我們希望通過十年左右的努力,用光纖來構建一個多橫多縱的骨幹網絡。在相關衛星的幫助下,我們能夠實現一個天地一體化的、廣域的量子通信網絡。”潘建偉說,“有了這個網絡,就能夠給每個有需要的用戶提供密鑰;有了密鑰之後,和相關的加密算法加在一起,也許在十年或者更長一點時間,就可以構建一個有量子通訊保障的互聯網。”

量子計算

未來萬物互聯,無時無刻不產生海量數據,“數據爆炸”之下,進行數據的收集和計算同樣是一個非常現實的問題。

而十多年後就可能面世的量子計算機,將可能解決計算力不足的問題。“利用世界排名第一的‘太湖之光’超級計算機求解有10的24次方個變量的線性方程組,大約要100年,但利用一個T赫茲的量子計算機,只需要0.01秒就可以完成。”潘建偉說。

未來的可控量子計算,將可能帶領人類進入一個真正的科技飛躍時代。高溫超導機制、量子霍爾效應…… 這些在目前計算力下無法研究的問題,將通過量子計算開展研究。

對量子狀態進行高精度支配,同時實現很好的存儲時間和相幹時間,是量子計算的兩個前提。

“按照目前的估計,大家應該在非常近的未來,也許是5年,也許是10年,能夠實現40個比特左右的量子糾纏。在這個基礎上,就可以來計算一些特殊的問題。”潘建偉說。他估計,操縱25個比特相幹量子的計算力相當於一顆英特爾4核CPU,當能夠操縱50個比特,其計算能力就可以高於“太湖之光”,後者的計算力相僅相當於操縱45個比特。

目前,全球在量子計算領域進展也非常顯著。谷歌、微軟、IBM等科技巨頭,提出到2018年底實現50個比特的相幹操縱。在特定實驗室環境下,國外有研究機構宣稱已做到了100個比特的相幹操縱。

“我覺得他們相對樂觀”,潘建偉說,“本來我們計劃在15年內能夠實現100個比特量子相幹操作。”但他也認為,國外的積極參與和更激進研究目標,客觀上也刺激中國科學家加速量子計算領域的研究,“這給我們提出很大的挑戰,因為達到100個之後,它的某些計算能力,可以說是全世界計算能力總和的100萬倍。”

不過,潘建偉認為,量子計算機問世仍然道路漫長。

“目前我們已經做過相關的演示,可以用所謂的量子算法有效地求解線性方程組;在光量子計算上,我們在2015年也進行了非常有趣的實驗。但是,所有的都是演示性質的。我們還沒有做到遠距離的、大尺度的量子計算。”潘建偉說。

有人也許或好奇,我們將來的計算機是用什麽做的,但回答這個問題或許也還太早。“我們目前很難想象量子計算機到底是固態的、液態的還是氣態的”,潘建偉說,“這就像計算機出現以前,有人問你,計算機究竟是用玻璃珠子做的,還是木頭做的。”

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