中科院院士详解“量子称霸”时间表 构建全球星地量子通信

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证券时报网络(STCN)9月29日，

据《上海证券报》29日报道，在27日举行的2016年上海院士峰会上，中国科学院院士潘建伟表示，在量子通信领域，他希望通过10至20年的努力，建成一个集天地(星空)为一体的全球量子通信网络；经过50年甚至100年，基于量子安全的未来通信网络将最终建成。

在10到20年内建立全球卫星-地面量子通信

量子理论自诞生之日起就与信息技术紧密相连，信息技术催生了计算机和互联网。现在它已经准备好解决大数据时代的计算能力不足和信息安全瓶颈问题，并且已经进入了量子信息科学时代。

潘剑伟在峰会上表示，量子是物质最基本的单位，包括分子、原子、光子等。，它不仅可以处于二进制状态的0和1状态，还可以处于中间叠加状态；基于不可分割性和叠加性原则(量子叠加是不可测量的，也是不可精确复制的)，原则上可以实现无条件的、安全的通信，即量子通信。然而，由于量子态传输的复杂性，在网络中实现量子态传输可能需要50年甚至100年的时间。

潘建伟介绍说，在经典通信领域，量子密钥是利用量子的不可分性和叠加性原理来分配的，以实现安全通信。鉴于不可分割性，窃听者不能分割光子来获取信息。如果它们被移除，它们的现有状态将被改变，并且我们将知道密钥丢失了。

然而，量子密钥的分发和传输也面临着许多挑战。首先，光源和探测器的不完善导致密钥不安全。准单光子源(弱光脉冲)只能发射近似单光子，容易被窃听者截获，编码率很低(每1000秒发送一个码)。潘剑伟介绍了他的团队通过诱饵量子密钥分配和测量装置呆滞量子密钥分配来解决上述问题。第二，光量子信息处理面临着长距离光纤损耗过大、纠缠质量下降、与环境耦合效率低等挑战，光纤中的信号无法放大。即使采用最先进的手段实现量子密钥数千公里的传输，平均每100年只能传输一个光子。

目前，潘建伟的团队使用两条路径:可信中继站和星地量子通信来实现量子密钥传输。在对可信中继站的探索中，中继站放大信号以保证密钥的传输和安全。潘剑伟团队与工行合作的量子京沪干线有望在今年年底完工，这将有效地扩大通信距离。在星地量子通信方面，潘建伟的团队通过实验验证了弱量子态在穿过大气层后可以有效维持，每秒钟可以传输10000个密钥，在几千公里的距离上可以损失40kbps。8月16日，卫星-地面量子卫星“墨子”发射升空。

目前，星地量子传输是一项成熟实用的技术，但我们希望在地面上实现数千公里的量子通信。潘建伟介绍说，我们希望通过10到20年的努力，建成一个天地一体的全球量子通信网络，最终建成一个基于量子安全的地面通信网络。为此，潘剑伟的团队正在验证量子接力。到目前为止，他的团队已经实现了500公里的量子接力。

专用量子模拟计算机仍然需要10年的努力

量子信息科学的另一个重要应用是量子计算，它可以实现计算能力的飞跃。基于量子的叠加特性，量子计算机可以实现并行分布式量子信息处理，同时对2的n次方进行数学运算，相当于经典计算机重复执行2的n次方运算。这种分布式计算可以大大提高计算能力，缩短计算时间，适用于大数据和人工智能领域。例如，求解10到24次方变量的方程大约需要100年，但是使用量子计算机大约需要0.01秒。

鉴于其巨大的潜在应用价值，量子计算已成为国际研究热点。潘建伟介绍说，今年5月，美国国家科学基金会(nsf)将下一代量子革命作为未来六大科学研究前言之一。今年4月，欧盟宣布将投资10亿欧元支持量子技术的旗舰项目。谷歌、ibm和微软等国际巨头也参与了量子计算的研究。

但是潘建伟说，要真正实现一台可编程的、通用的量子计算机，可能需要30年甚至50年的时间。潘建伟认为，建立一个简单的只能计算一个问题(而不是一般问题)的量子模拟计算机是可行的。潘建伟希望在5到10年内实现50个量子比特的量子模拟。

在可伸缩的量子信息处理中，超冷原子的量子控制已经成为研究热点。通过将超冷原子置于光学晶格中，可以方便地实现基于超冷原子量子控制的模拟量子计算。最近，潘建伟的团队已经实现了约600对超冷原子的纠缠态，这是朝着基于超冷原子的可扩展量子计算和量子模拟迈出的重要一步。

潘剑伟说，在量子计算中，希望通过近10年的努力，100对粒子将被纠缠，在解决具体问题时，计算能力将达到现有全球计算能力的一百万倍。

(证券时报新闻中心)