來源 | 學習時報總書記指齣 要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性 何為量子通信、量子精密測量、量子計算 - 趣味新聞網

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總書記指齣，要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和係統布局，把握大趨勢，下好先手棋。

近期，學習時報圍繞量子信息科技主題，特約潘建偉院士團隊撰寫《量子通信：未來自主可控信息安全生態的重要保障》《量子精密測量：測量精度突破經典技術極限》《量子計算：後摩爾時代計算能力提升的解決方案》三篇科普文章，對量子信息科技進行瞭較為完整的介紹和展望。

學習時報微信公眾號“長春橋6號”工作室現將這三篇文章閤集推齣，以饗讀者。

量子通信：未來自主可控信息安全生態的重要保障

作者：徐飛虎 彭承誌 潘建偉

信息安全是事關國計民生的重大戰略領域。傳統的信息安全通過依賴於計算復雜度的加密算法來實現，然而隨著計算能力的飛速發展，依賴於計算復雜度的傳統加密算法麵臨著日益加劇的安全風險。

基於量子密鑰分發的量子保密通信是迄今唯一原理上無條件安全的通信方式。量子密鑰分發是指利用量子態來加載信息，通過一定的協議産生密鑰。量子力學基本原理保證瞭密鑰的不可竊聽，從而實現安全的量子保密通信。量子保密通信的安全性基於物理學基本原理，與計算復雜度無關，即使未來強大的量子計算機問世也不會對其安全性形成威脅。

量子保密通信是最先走嚮實用化和産業化的量子信息技術。通過量子密鑰分發所生成的安全密鑰，除瞭原理上無條件安全的“一次一密”加密方式外，還可以與經典對稱加密算法相結閤，兼顧安全性與通信速率。例如，按照現有技術水平，量子密鑰分發與AES(高級加密標準)加密算法相結閤，可以達到Gbps(交換帶寬)的通信速率，同時大幅提升種子密鑰的更新率，有效提升通信安全水平。此外，也可與下一代的“PQC(抗量子計算密碼)”相結閤，增強身份認證等的安全性。

廣域量子通信的發展路綫

量子通信的發展目標是構建全球範圍的廣域量子通信網絡體係。通過光縴實現城域量子通信網絡，進而通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接，最終通過衛星平台的中轉實現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網絡的發展路綫。

在城域量子通信網絡方麵，中國科學技術大學先後建成國際上首個全通型城域量子通信網絡、首個量子政務網以及首個規模化城域量子通信網絡，並在這一過程中將相關技術發展成熟，自主研製的量子保密通信裝備已經為很多重要活動提供瞭信息安全保障。

在基於可信中繼的城際量子通信網絡方麵，國際上首條遠距離光縴量子保密通信骨乾網“京滬乾綫”，於2016年底全綫貫通。乾綫全長2000餘公裏，連接北京和上海，貫穿濟南、閤肥等地。在沿綫金融、政務、電力等部門的閤作下，開展遠距離量子保密通信的技術驗證與應用示範。在“京滬乾綫”應用示範的基礎上，國傢發展改革委於2018年2月批復瞭“國傢廣域量子保密通信骨乾網絡”項目，將覆蓋京津冀、長三角、粵港澳、成渝等重要區域，推動量子保密通信的規模化應用。

在星地自由空間量子通信方麵，在中國科學院的支持下，中國科學技術大學聯閤中科院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院等單位，研製成功世界上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。“墨子號”於2016年8月發射升空，在國際上率先實現瞭星地量子通信，首次實現瞭距離達7600公裏的洲際量子通信，充分驗證瞭基於衛星平台實現全球化量子通信的可行性。利用“墨子號”積纍的成功經驗，量子衛星的研製成本已由數億元降到韆萬元量級，預計2022年初小型化量子衛星將發射升空，為構建低成本的星群奠定基礎。地麵接收站的重量也已由十幾噸降到100公斤左右，可初步支持移動量子通信。

結閤“墨子號”量子衛星與“京滬乾綫”，我國率先構建瞭天地一體化廣域量子保密通信網絡的雛形，成為近年來國際量子信息研究的一大標誌性事件。

量子通信技術應用推廣

2020年10月16日，中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習，總書記主持學習並指齣，“統籌基礎研究、前沿技術、工程技術研發，培育量子通信等戰略性新興産業，搶占量子科技國際競爭製高點，構築發展新優勢”。“京滬乾綫”和“墨子號”量子衛星等，都是基於我國前期，10餘年的基礎和應用研究成果而進行的工程化集成與驗證項目，為核心器件的自主研發、相關應用標準的製定和未來規模化的應用起到瞭良好的示範效果，穩步推進瞭量子保密通信在商業和國傢安全領域的應用。

在核心量子通信器件方麵，中國電子科技集團有限公司、中國科學技術大學、中科院上海微係統與信息技術研究所等實現瞭通信波段單光子探測器和量子隨機數産生器等主要器件的初步國産化，打破瞭國外禁運的壁壘。在未來2至3年，通過關鍵器件的芯片化，量子加密設備的尺寸可縮小到手機大小，並大幅降低成本。

相關應用標準製定方麵，在我國50餘傢科研機構和企業的積極參與下，中國通信標準化協會、全國信息安全標準化技術委員會、密碼行業標準化技術委員會等國傢標準組織，圍繞量子保密通信技術的互聯互通、安全測評、應用服務等方麵，編製瞭多項國傢標準和行業標準。我國學者突破瞭美加等西方國傢的阻礙，在國際電信聯盟發起成立瞭國際首個涵蓋量子信息全領域的標準化組織，目前正在牽頭編製多項國際標準。

量子通信技術發展前景

近年來，我國學者在單光子雷達領域已取得瞭一批具有國際影響力的成果：突破瞭常溫下探測紅外單光子的量子效率極限，實現瞭遠距離紅外單光子大氣雷達探測;實現瞭大氣風場的晝夜連續探測，並創造瞭200公裏的單光子成像最遠距離世界紀錄。同時，利用單光子雷達能夠對隱藏在視綫外的物體進行觀測，即“非視域成像”，實現“隔牆觀物”，在反恐防暴、緊急救援等領域具有廣泛的應用前景;實現瞭遠距離非視域成像，首次將成像距離從米級提高到公裏級，極大地推動瞭非視域成像技術的實用化發展。量子通信研究中發展的單光子探測技術還可以極大地提升傳統激光雷達的探測靈敏度、探測距離、分辨率等性能，即“單光子雷達”。單光子雷達可以實現對遠距離、高精度軟目標(大氣)和硬目標(物體)的探測，已經在對地測繪、遠程預警、全球態勢感知、大氣汙染檢測和預報、航空航天作業等領域發揮瞭重要作用。

得益於我國率先開展瞭廣域量子通信的技術驗證與應用示範，網絡技術已初步滿足實用化要求，核心器件的國産化和設備的小型化已初步實現，具備瞭在關鍵部門先行先試的條件。在激烈的國際競爭環境下，當前正是我國加快推進量子保密通信應用，盡早形成信息安全非對稱優勢的最佳時機。通過10年左右的努力，我國有望構建完整的廣域量子通信網絡技術體係，為形成未來自主可控的國傢信息安全生態提供重要保障。 (文章刊載於《學習時報》2022年1月19日第6版)

量子精密測量：測量精度突破經典技術極限

作者：盧徵天 潘建偉

精密測量是科學研究的基礎。可以說，整個現代自然科學和物質文明是伴隨著測量精度的不斷提升而發展的。以時間測量為例，從古代的日晷、水鍾，到近代的機械鍾，再到現代的石英鍾、原子鍾，隨著時間測量的精度不斷提升，通信、導航等技術纔得以不斷發展，不僅給社會生活帶來極大的便利，也為新的科學發現提供瞭利器。因此，更高的測量精度一直是人類孜孜以求的目標。

隨著量子力學基礎研究的突破和實驗技術的發展，人們不斷提升對量子態進行操控和測量的能力，從而可以利用量子態進行信息處理、傳遞和傳感。量子精密測量是利用量子力學規律，特彆是基本量子體係的一緻性，對一些關鍵物理量進行高精度與高靈敏度的測量。利用量子精密測量方法，人們在時間、頻率、加速度、電磁場等物理量上可以獲得前所未有的測量精度。正是由於量子調控與量子信息技術的發展，2018年第26屆國際計量大會正式通過決議，從2019年開始實施新的國際單位定義，從實物計量標準轉嚮量子計量標準，這標誌著精密測量已經進入量子時代。

時間頻率的精密測量

高精度時間頻率的測量和應用支撐著相關科學研究的發展、經濟社會的運行和國傢安全係統的建設。高精度時頻服務係統是國傢戰略資源。

原子鍾所給齣的頻率和時間標準是目前測量精度最高的基本物理量。同時，原子鍾精度的提高也帶動其他基本物理量測量、物理常數定義和物理定律檢驗精度的提高，促進瞭新物理的發現和科學技術的進步。在微波段運行的原子鍾已被廣泛應用於導航、通信等領域。被廣泛使用的衛星定位係統(例如我國的北鬥導航係統、美國的全球衛星定位係統GPS等)中的每一顆衛星都載有多台微波段原子鍾，通過對信號到達的時間做精確測量來給齣用戶定位信息。由於在導航係統中的關鍵作用，星載原子鍾被喻為衛星導航係統的心髒。我國科學傢正在積極發展下一代更高精度的星載微波段原子鍾，2018年在國際上首次實現瞭利用激光冷卻技術的空間冷原子鍾。

由於量子精密測量方法上的突破，在光波段運行的原子鍾(簡稱光鍾)具有更高的精確度與穩定度，有望達到

量級(即萬億年的誤差不超過1秒)。光鍾技術在近20年來迅猛發展，例如，美國國傢標準局研製的鍶原子光鍾，在不確定度上達到

量級、穩定度達到

量級，相比微波原子鍾進步瞭至少兩個數量級;我國科學傢發展的鈣離子光鍾的不確定度與穩定度均進入

量級。同時，我國已布局發展空間光鍾，目標是要在太空中把時間頻率測量精度提高兩個數量級。新一代時間測量與傳遞技術將為洲際光鍾比對、國際“秒”定義的産生作齣貢獻，為未來引力波探測、暗物質探測等物理學基本原理檢驗提供新方法。同時，對光信號的高精度相位控製與測量，也會極大地提升未來星地一體量子通信網絡的信息傳遞速度。

量子導航

慣性導航係統是一種不依賴於外部信息、也不嚮外部輻射能量的自主式導航係統，具有高隱蔽性、全時空間工作的優勢，在國傢安全等領域具有重要的應用價值。

根據公開報道的當前最好的經典慣性導航技術，水下航行100天之後的定位誤差將達到100韆米量級，還不足以支持長時間的完全自主導航。通過對原子的量子調控，基於原子自鏇、冷原子乾涉效應的量子陀螺儀和重力儀可實現超高靈敏度的慣性測量，有望達到水下航行100天之後的定位誤差小於1韆米，實現長時間完全自主導航。因此，基於量子陀螺儀和重力儀的導航係統，在長航時高精度自主導航、前沿物理等領域具有重要應用。此外，高精度的重力測量還可廣泛應用於大地測量、資源勘探等領域。

目前，我國研究人員研製成功的原子自鏇陀螺原理樣機，指標與國外公開報道的最高指標相當;可移動原子重力儀精度已接近國際一流水平，小型移動式冷原子重力儀達到瞭目前國際上野外連續重力觀測的最好水平，為實現高精度自主導航係統奠定瞭基礎。

單量子靈敏探測

對單光子、單電子、單原子、單分子等量子係統的高靈敏度探測具有廣泛的應用價值，成為近年來國際物理學研究的熱點前沿領域。

單自鏇探測技術在量子計算、生命科學、材料科學等領域有廣泛應用。我國研究人員利用以金剛石NV色心為代錶的固態單自鏇體係實現瞭同時具有高空間分辨率與高靈敏度的磁場探測技術，在室溫大氣條件下獲得瞭國際上首張單個蛋白質分子的磁共振譜，為研究單分子、單細胞層麵的生物學問題提供瞭測量基礎。該技術也可用於探索微觀尺度的磁性質、磁結構等。

單原子探測技術在地球科學、環境監測等領域有廣泛應用。我國研究人員發展瞭新一代激光原子阱單原子靈敏檢測方法，可以一個一個地數齣環境樣品中所含的極微量同位素原子，包括空氣中含量僅為百億億分之一的氪-81同位素。這一天然示蹤劑被用來幫助瞭解全球與區域性水、冰循環過程，給百萬年的古地下水與冰川定年，為氣候變化研究、水資源管理提供關鍵數據。

分子包含電子運動、振動和轉動等多個量子化自由度，單分子尺度的量子體係由於具有強烈的空間限域、結構對稱性破缺和顯著的分立能級結構，錶現齣十分豐富和新奇的量子效應。我國研究人員利用掃描電鏡、原子力顯微鏡、拉曼光譜三種探測方法的聯用，全麵揭示瞭錶麵上單個分子的結構與變化，在單化學鍵精度上實現瞭單分子多重特異性的綜閤錶徵。

近年來，我國學者在量子精密測量方麵不斷追趕國際先進水平，技術突飛猛進，成果斐然。譬如，在原子鍾、量子陀螺儀等方麵的關鍵技術已經接近國際先進水平;在量子雷達、痕量原子示蹤、弱磁場測量等方麵已經達到國際先進水平，並取得瞭一批國際領先的成果。隨著研究水平的不斷提升和核心競爭力的進一步增強，我國量子精密測量領域將在科學研究、經濟生活和國傢安全等重大戰略需求中發揮重要作用。 (文章刊載於《學習時報》2022年2月16日第6版)

量子計算：後摩爾時代計算能力提升的解決方案

作者：硃曉波 陸朝陽 潘建偉

量子計算是基於量子力學的全新計算模式，具有原理上遠超經典計算的強大並行計算能力，為人工智能、密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供瞭解決方案，並可揭示量子相變、高溫超導、量子霍爾效應等復雜物理機製。

與傳統計算機使用0或者1的比特來存儲信息不同，量子計算以量子比特作為信息編碼和存儲的基本單元。基於量子力學的疊加原理，一個量子比特可以同時處於0和1兩種狀態的相乾疊加，即可以用於錶示0和1兩個數。推而廣之，n個量子比特便可錶示

個數的疊加，使得一次量子操作原理上可以同時實現對

個疊加的數進行並行運算，這相當於經典計算機進行

次操作。因此，量子計算提供瞭一種從根本上實現並行計算的思路，具備極大超越經典計算機運算能力的潛力。

類似於經典計算機，量子計算機也可以沿用圖靈機的框架，通過對量子比特進行可編程的邏輯操作，執行通用的量子運算，從而實現計算能力的大幅提升，甚至是指數級的加速。一個典型的例子是1994年提齣的快速質因數分解量子算法(Shor算法)。質因數分解的計算復雜度是廣泛使用的RSA公鑰密碼係統安全性的基礎。例如，如果用每秒運算萬億次的經典計算機來分解一個300位的大數，需要10萬年以上;而如果利用同樣運算速率、執行Shor算法的量子計算機，則隻需要1秒。因此，量子計算機一旦研製成功，將對經典信息安全體係帶來巨大影響。

量子計算的發展階段

量子計算機的計算能力隨量子比特數目呈指數增長，因此量子計算研究的核心任務是多量子比特的相乾操縱。根據相乾操縱量子比特的規模，國際學術界公認量子計算有如下發展階段：

第一個階段是實現“量子計算優越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越經典超級計算機，達到這一目標需要約50個量子比特的相乾操縱。美國榖歌公司在2019年率先實現超導綫路體係的“量子計算優越性”。我國則分彆於2020年在光量子體係、2021年在超導綫路體係實現瞭“量子計算優越性”。目前，我國是世界上唯一在兩種物理體係達到這一裏程碑的國傢。

第二個階段是實現專用量子模擬機，即相乾操縱數百個量子比特，應用於組閤優化、量子化學、機器學習等特定問題，指導材料設計、藥物開發等。達到該階段需要5至10年，是當前的主要研究任務。

第三個階段是實現可編程通用量子計算機，即相乾操縱至少數百萬個量子比特，能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方麵發揮巨大作用。由於量子比特容易受到環境噪聲的影響而齣錯，對於規模化的量子比特係統，通過量子糾錯來保證整個係統的正確運行是必然要求，也是一段時期內麵臨的主要挑戰。由於技術上的難度，何時實現通用量子計算機尚不明確，國際學術界一般認為還需要15年甚至更長時間。

目前，國際上正在對各種有望實現可擴展量子計算的物理體係開展係統性研究。我國已完成瞭所有重要量子計算體係的研究布局，成為包括歐盟、美國在內的三個具有完整布局的國傢(地區)之一。

超導量子計算實現趕超

目前，美國榖歌公司、IBM公司以及中國科學技術大學是全球超導量子計算研究的前三強。2019年10月，在持續重金投入量子計算10餘年後，榖歌正式宣布實驗證明瞭“量子計算優越性”。他們構建瞭一個包含53個超導量子比特的量子處理器，命名為“Sycamore(懸鈴木)”。在隨機綫路取樣這一特定任務上，“懸鈴木”展現齣遠超超級計算機的計算能力。2021年5月，中國科學技術大學構建瞭當時國際上量子比特數目最多的62比特超導量子計算原型機“祖衝之號”，並實現瞭可編程的二維量子行走。在此基礎上，進一步實現瞭66比特的“祖衝之二號”。“祖衝之二號”具備執行任意量子算法的編程能力，實現瞭量子隨機綫路取樣的快速求解。根據目前已公開的最優化經典算法，“祖衝之二號”對量子隨機綫路取樣問題的處理速度比目前最快的超級計算機快1000萬倍，計算復雜度較榖歌“懸鈴木”提高瞭100萬倍。

其他體係的量子計算研究

離子、矽基量子點等物理體係同樣具有多比特擴展和容錯性的潛力，也是目前國際量子計算研究的熱點方嚮。我國在離子體係的量子計算研究上起步較晚，目前整體上處於追趕狀態，國內的優勢研究單位包括清華大學、中國科學技術大學和國防科技大學等，在離子阱的製備、單離子相乾保持時間、高精度量子邏輯門、多比特量子糾纏等量子計算的基本要素方麵積纍瞭大量關鍵技術。我國在矽基量子點的量子計算方嚮上與國際主要研究力量處於並跑水平。此外，由於拓撲量子計算在容錯能力上的優越性，利用拓撲體係實現通用量子計算是國際上麵嚮長遠的重要研究目標。目前國內外均在為實現單個拓撲量子比特這一“0到1”的突破而努力。

量子計算的未來發展

在實現瞭“量子計算優越性”的階段目標後，未來量子計算的發展將集中在兩個方麵：一是繼續提升量子計算性能。為瞭實現容錯量子計算，首要考慮的就是如何高精度地擴展量子計算係統規模。在實現量子比特擴展的時候，比特的數量和質量都極其重要，需要實驗的每個環節(量子態的製備、操控和測量)都要保持高精度、低噪聲，並且隨著量子比特數目的增加，噪聲和串擾等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對量子體係的設計、加工和調控帶來瞭巨大的挑戰，仍需大量科學和工程的協同努力。二是探索量子計算應用。預計未來5年，量子計算有望突破上韆比特，雖然暫時還無法實現容錯的通用量子計算，但科學傢們希望探索在帶噪聲的量子計算(NISQ)階段，將量子計算應用於機器學習、量子化學等領域，形成近期應用。 (文章刊載於《學習時報》2022年3月2日第6版)

轉載自“學習時報”公眾號

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