量子科技 步入生活新时代

　　在刚刚结束的省两会上，《政府工作报告》明确指出，我省今年将重点建设量子信息科学国家实验室支撑体系。去年，世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生、“墨子号”量子科学实验卫星量子纠缠分发距离超过1200公里、世界首条千公里级量子保密通信“京沪干线”正式开通……随着信息技术的不断突破，量子科技走进人们生活的脚步越来越快。

　　量子通信一路领跑

　　近日，中国科学技术大学潘建伟院士团队与合作者利用“墨子号”量子科学实验卫星，在中国和奥地利之间首次实现距离达7600公里的洲际量子密钥分发。国际权威学术期刊《物理评论快报》以封面论文形式发表了这一成果。审稿人称赞洲际量子保密通信网络实验是“重大技术成果”，“任何不用卫星的方法可能至少需要10年的时间才能接近这个实验的结果”。

　　量子通信是目前理论上唯一被证明无条件安全的通信方式，而基于卫星平台的量子通信，是构建覆盖全球量子通信网络最为可行的手段。去年9月29日，世界首条量子保密通信“京沪干线”正式开通，中国与奥地利首次成功实现洲际量子保密通信。在洲际量子密钥分发实验中，“墨子号”分别与河北兴隆、奥地利格拉茨地面站进行了星地量子密钥分发，通过指令控制卫星作为中继，建立了兴隆地面站与格拉茨地面站之间的共享密钥。基于共享密钥，中奥联合团队在北京到维也纳之间演示了图片加密传输，并成功举行了75分钟的洲际量子保密视频会议。

　　去年6月，潘建伟领衔的“墨子号”团队实现千公里级星地双向量子纠缠分发，打破此前国际上保持多年的百公里级纪录。时隔一个多月，该团队又在国际上首次成功实现千公里级星地双向量子通信，提前完成预先设定的量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大科学任务。去年底，潘建伟团队量子通信研究成果，入选英国物理学会《物理世界》评选的“2017年度国际物理学十大突破”；“墨子号”研究成果先后入选美国著名科学媒体《科学新闻》评选的“2017年度十大科学事件”和英国权威学术期刊《自然》杂志评选的“2017年度重大科学事件”。

　　去年12月，国际权威学术期刊《自然》公布2017年度十大科学人物，潘建伟榜上有名。 “在中国，有人称他为‘量子之父’。对于这一称呼，潘建伟当之无愧。在他的带领下，中国成为远距离量子通信技术的领导者。”《自然》杂志评价道。中科院院长白春礼认为，“墨子号”系列成果赢得了巨大国际声誉，标志着我国量子通信领域的研究在国际上达到“全面领先”的优势地位。

　　“在量子通信领域，我们领先世界5年至10年。 ”潘建伟表示，量子通信是最接近实用化的技术，未来5年，希望能在一些非常重要的部门探索使用；未来10年，在一些中等保密要求的机构探索使用；未来15年，走进千家万户。

　　量子计算迎头赶上

　　在习近平主席2018年新年贺词中，中科大研制的量子计算机顺利入选。在中国科学院、中国工程院评选的2017年中国十大科技进展新闻中，我省“世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生”等3项科技成果入选。在第四届世界互联网大会上，潘建伟团队构建的光量子计算机原型机，成功入选18项世界互联网领先科技成果。

　　研制出具有超强计算能力的量子计算机，不仅是人类追求的梦想，也是世界各国竞争的焦点。欧盟在2016年宣布投入10亿欧元支持量子计算研究，美国仅政府的投资即达每年3.5亿美元。目前，我省正在合肥筹建量子信息科学国家实验室，一期总投资约70亿元。传统计算机要100年才能破解的难题，量子计算机可能仅需1秒。这种神奇的并行计算能力，正是量子计算机的魅力所在。可以想象的是，当量子计算机应用之时，现在的密码破译、基因测序、天气预报、药物筛选等科学难题，将会迎刃而解。而在军事、安全等敏感领域的可能应用，也将激励着各国加大投入。

　　去年5月3日，潘建伟院士在上海宣布，由中科大主导研制的世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。实验测试表明，该量子计算机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少2.4万倍，比人类历史上首台电子管计算机和首台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍，创造世界纪录。对于量子计算机的发展，科学界有三个达成共识的指标性节点：第一步超越首台经典计算机，第二步超越商用计算机，第三步超越超级计算机。虽然，潘建伟团队实现的只是其中的第一步，但这一小步却是重要的一步，标志着我国在量子计算机研究方面取得突破性进展。

　　在中科大，郭光灿院士团队和杜江峰院士团队，在量子计算领域也取得诸多进展。 1月11日，郭光灿院士团队的本源量子计算云平台成功上线32位量子虚拟机，与国际通用的量子语言相比，其算法效率更高、更具可操作性。去年4月，杜江峰院士团队首次在室温大气条件下实现基于固态单自旋体系的质因数分解量子算法，向建造室温固态量子计算机迈进重要一步。

　　人类已进入一个能看到量子计算机将要“出生”的时间段。目前，潘建伟院士团队在超导量子计算和超冷原子模拟等领域，已跻身世界一流方阵。一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力可超过目前最快的超级计算机。“我们正朝着这个方向努力，力争5年内研制出比超级计算机更快的量子计算机，那时就能实现相对传统计算机的量子称霸。 ”潘建伟说。

　　精密测量期待突破

　　1月8日，著名期刊《自然·通讯》刊发中科大郭光灿院士团队在量子精密测量领域的重要进展，他们设计并实现了一种全新的量子弱测量方法，实现了海森堡极限精度的单光子克尔效应测量，这是国际上首个在实际测量任务中达到海森堡极限精度的工作，可利用的光子数达到10万个。这种方法无需利用纠缠等量子资源，所用探针来源于常规的激光脉冲，从而摆脱了光子数的限制。该研究成果展现了量子精密测量的技术优势，实验中光子的利用率约为16%，比此前经典方法测量的最高精度提高了两个量级。

　　量子精密测量是量子信息科学中新发展起来的一个重要方向，旨在利用量子资源和效应实现超越经典方法的测量精度，通过该技术可以实现新一代定位导航、激光制导、水下定位、医学检测等。比如，有了加速度的量子精密测量技术，潜艇下海之后可以精确导航，在海底下不会迷失方向；用先进的量子精密测量技术，甚至可以“看清”单个细胞的性质是否发生变化。

　　“量子通信、量子计算和量子精密测量，是量子信息技术的三个主要研究方向。”潘建伟透露，GPS导航、全球定位等很多技术都需要用到精密测量，利用量子精密测量可以发展自主导航技术，能够把潜艇的导航误差缩小到几百米的范围，这样就可以实现潜艇的长期潜伏，悄悄地开到指定目的地不会被发现。 “当然，量子精密测量将来主要会应用到汽车上。 ”他说。

　　3年前，杜江峰院士团队的“纳米尺度量子精密测量”项目，曾入选2015年度“中国高等学校十大科技进展”。该项目通过将量子技术与精密测量科学结合，率先实现具备纳米分辨率和单分子灵敏度的磁共振探测技术。 《自然》杂志认为，该项工作“是通往活体细胞中单蛋白分子实时成像的重要里程碑”。

　　“总的来说，在量子精密测量领域，我国近年来虽然取得了一些进展，但与欧美国家相比还存在相当大的差距。 ”潘建伟说。去年，为推动量子精密测量技术早日应用，中科大与中船重工签署协议，双方商定在量子导航、量子探测等方面开展深度合作，推动产学研用合作早日取得新成果，共同开创量子信息技术应用的崭新空间。