2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星（簡稱“量子衛星”）發射升空（拼版照片）。新華社記者 金立旺攝

 

中國１６日成功發射全球首顆量子科學實驗衛星，使得量子信息技術再次進入聚光燈下。國際學術界著名的《自然》網站相關報道說，在這場“特殊的太空競賽”中，中國“邁出了一大步”。

放眼全球，歐盟４月宣布將量子技術作為新的旗艦科研項目，迎接“第二次量子革命”；美國白宮７月建議加大對量子信息科學的投入，稱這是“國家的挑戰與機遇”。

第二次量子革命

大約一百多年前，我們生活在一個很正常、經典的宇宙里，一切都合乎常情，沒有什么奇怪表現。隨后，量子理論出現了。

突然間，事物的表現不再總是合乎一個理性的人的料想了。在微觀尺度上，一個粒子可以同時處于兩個地方，甚至可以同時向兩個不同的方向運動。而且粒子之間可以互相糾纏——通過某種方式即時地遠程感知、影響對方。

起源于１９００年普朗克所提理論的量子力學，描述了這些看似魔法的物理現象。這套理論不斷獲得實驗支持，在一百多年里催生了許多重大發明——原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛星定位系統等，改變了世界面貌。歐盟今年４月宣布將量子技術作為新的旗艦科研項目，在公告中稱上述成果為“第一次量子革命”。

量子信息技術是量子力學的最新發展，代表了正興起的“第二次量子革命”。在量子信息技術中，最具代表性的是量子通信和量子計算。中國的量子衛星就是全球領先的量子通信實驗平臺，不過在重點介紹量子通信之前，先來看看量子計算的威力。

依照量子理論研發的量子計算機將具有強大的計算能力，速度快過傳統計算機億萬倍。其原因之一是，傳統計算機中的每個比特位只有０和１兩種狀態，而一個量子比特位可以有多個狀態。美國航天局、谷歌公司等機構在２０１５年宣布，合作開發的Ｄ－Ｗａｖｅ量子模擬機對某些問題的求解速度已達到傳統計算機的１億倍。雖然這還不被國際學術界認為是真正的量子計算機，但量子計算的巨大潛力已然展露無遺。

量子攻防戰

量子計算給保密帶來了巨大挑戰。中科院量子卓越創新中心的陸朝陽教授告訴新華社記者，現在國防、金融等領域廣泛使用的通信密碼都是基于數學上的計算復雜度，等到大規模量子計算機真正面世的時候，在超強的計算能力面前，這些密碼系統就都會失效。

打個比方，量子計算便如可攻破一切傳統保密系統的“利矛”。

“上帝關閉了一扇門，但又打開了一扇窗，”陸朝陽說，同樣源自量子理論的量子通信技術又為保密提供了新手段。它的基礎是物理規律，比如在用一個光量子傳遞信息時，由于單光子已是最小單元，竊聽者無法通過截取“半個光子”來獲取信息；而竊聽者試圖對這個光子的狀態進行測量時，量子測不準原理又導致這個光量子的狀態發生改變，這使竊聽必然被察覺并被通信雙方規避。客觀物理規律是沒有人能改變的，也就是說，量子通信成為保密領域新的“堅盾”。

目前，量子通信的主要應用方式是量子密鑰分配，也就是俗稱的量子密碼，即用量子通信方式來傳輸密碼。此外，還有一個探索中的前沿領域是量子隱形傳態，它利用量子糾纏原理，可以瞬間把量子態傳輸到遙遠地點，接近于一些科幻小說中描寫的“遠程傳送”。

新一輪科技競賽

“我相信量子技術在２１世紀的重要性可與上個世紀的曼哈頓計劃相比，”中科院量子卓越創新中心主任、中國量子衛星項目首席科學家潘建偉院士說。也就是說，量子技術可能像曼哈頓計劃造出原子彈那樣改變世界格局。

由于量子通信和量子計算的巨大前景，各個大國都在競相發展相關技術。歐盟今年４月宣布，投入１０億歐元支持量子技術，這是歐盟繼石墨烯和腦科學之后的第三個旗艦型科研項目。該項目領導者之一、德國整合量子科學和技術中心負責人托馬索·卡拉爾科說，在歐盟確定頭兩個旗艦項目時，量子技術入選的時機不如現在成熟。因為那是在斯諾登揭露美國的大規模監聽活動之前。現在歐洲希望有更具保密性的通信技術。

美國白宮也剛剛在７月底發布官方博文，援引美國國家科技委員會７月提出的報告《推進量子信息科學：國家的挑戰與機遇》，建議加大對量子信息科學的投入。實際上，美國多個政府部門如國防部、航天局、國家標準與技術研究所（ＮＩＳＴ）等早就對量子信息技術研究大量投入。尤其是ＮＩＳＴ得到美國政府高強度和穩定的支持，每年獲得大量經費。在過去１０余年間，ＮＩＳＴ在量子調控和量子信息領域產生了５名諾貝爾物理學獎獲得者。

許多高科技公司也在量子技術方面大量投入。如谷歌與美國航天局、加利福尼亞大學圣巴巴拉分校聯合成立了量子人工智能實驗室，并推出了量子計算機開發計劃；２０１４年，ＩＢＭ宣布將于隨后５年內在以量子計算技術為重點的一些領域投入３０億美元；還有一些相對較小的科技公司也嶄露頭角，比如Ｂａｔｔｅｌｅ公司正在運行美國第一個商業化的量子密碼通信網絡。

中國衛星引領潮流

中國量子科學實驗衛星升空，將首次在太空開展與量子通信和量子計算相關的諸多實驗，特別是將打造一張天地一體化的量子通信網。在激烈的全球競爭中，“第一顆量子衛星”的頭銜來之不易。

“量子通信的競賽自１９９５年在日內瓦湖底進行量子密鑰分發的最初演示時就開始了，”美國波士頓大學的量子物理學家亞歷山大·謝爾吉延科告訴新華社記者，他指的是歐洲在全世界最早進行了量子通信實驗。潘建偉院士最初也是到奧地利師從量子科學領域權威專家蔡林格教授。蔡林格團隊曾在歐洲申請發射衛星，但審批過程不順利，現在成為中國量子衛星項目的合作方。

在亞洲，新加坡科學家在２０１４年曾嘗試發射“立方體衛星”。這是一類微型衛星，也能用于一些量子技術實驗，盡管與中國的量子衛星相比功能要弱很多。但不幸的是，承擔發射任務的美國軌道ＡＴＫ公司的火箭在２０１４年１０月那次任務中爆炸。

中國衛星成功發射，將執行星地高速量子密鑰分發、廣域量子通信網絡、星地量子糾纏分發以及地星量子隱形傳態等多項科學實驗任務。《自然》雜志相關報道說，中國在這場“特殊的太空競賽”中走在了前面。蔡林格也表示，中國衛星的成功，也將促使其他國家的量子衛星團隊更容易獲得資助和支持。

潘建偉科研團隊是這個衛星項目中的中堅力量，他們還主導了今年下半年將交付使用的“京滬干線”量子通信網，這也將是全世界規模最大的量子通信網。可以說，在量子通信研究和應用方面，中國現在是世界的排頭兵。

由于此前的量子技術實驗都是在地上完成，中國的量子衛星還可能為科學理論研究帶來新的突破。陸朝陽說，萬一量子力學的某些規律在太空中發生變化的話，“那就打開了新的物理學的大門”。（記者黃堃、楊駿、林小春、張家偉、郭洋）

 

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量子革命引發新一輪科技競賽 中國衛星立于潮頭

圖文簡介

中國16日成功發射全球首顆量子科學實驗衛星，使得量子信息技術再次進入聚光燈下。