在量子计算机面前，传统电脑就像算盘

从算盘到计算机,是人类计算方式的一次大飞跃。而具有强大运算能力的量子计算机一旦出现,现有的电脑就相当于是个算盘。

量子保密通信是唯一被严格证明无条件安全的通信方式。有了它,传统意义上的“黑客”将失去用武之地。借助量子技术强大的运算能力,还能改造医疗等传统行业。

世界首颗量子卫星即将发射、世界首条量子保密通信“京沪干线”即将建成、科学家在实验室捕获制造量子计算机的“候选粒子”……我国量子研究领域近期突破频频,受到广泛关注。

科技迅速发展,“量子信息技术”这一高冷艰涩的概念也逐渐摘下神秘面纱。量子信息技术究竟是什么?这场“量子革命”能为我们带来什么?

量子信息技术是什么?

一台64位量子计算机的速度将是目前世界上最快的超级计算机的545万亿倍。

“量子”是一个物理量的最小单位,光子、电子都是量子的一种。在“量子”所描述的微观世界中,有许多神奇的特性。

在传统计算机中,每个电子元件只能表示“1”或“0”、即“开”或“关”两种状态；而量子则可以同时表示多种状态,这就意味着很少的量子比特就能实现大量经典比特才能完成的计算。

“如果一台量子计算机的单次运算速度达到目前民用电脑CPU的级别,那么一台64位量子计算机的速度将是目前世界上最快的‘天河二号’超级计算机(每秒33.86千万亿次)的545万亿倍!”中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心成员张文卓说。

“从算盘到计算机,是人类计算方式的一次大飞跃,量子计算机一旦出现,现有的电脑就相当于是个算盘。”中国科学院院士、量子信息学专家郭光灿这样评价量子计算机的能量。

利用光子传递的量子密码则能保证信息传输的“无条件安全”。光子非常脆弱,一经测量就遭破坏,因此,只要通信双方利用光子的这一特点生成密码,就有了一种“魔力”,只要第三个人“看”一眼就会消失。

“量子信息技术在提高运算速度和确保信息安全等方面都能突破现有信息技术的瓶颈。”张文卓说,量子信息技术被认为将引领下一次信息革命。

将带来什么改变?

量子保密通信可以从根本上解决信息安全问题,利用量子计算机能快速锁定犯罪分子。

“量子其实并不神秘,也不高深。”中国科学技术大学教授陈宇翱说,对量子的研究,在过去的一百年已经成为现代科技的支柱,发展出了诸如激光、核磁共振、高温超导、巨磁阻等科技进展,可以想象,也可以相信量子研究在未来会给我们带来更多的进展。

研究人员认为,借助于量子的诸多神奇特性,量子信息技术未来将给人们的生活带来巨大改变:

——“绝对安全”的通信方式和“只有你知我知”的密码保护。迄今为止,量子保密通信是唯一被严格证明无条件安全的通信方式,可以从根本上解决国防、金融、政府、商业等领域的信息安全问题,并将使互联网变得更加安全,例如用户的搜索、支付等私密信息将无法被拷贝窃取。

“未来不用再担心需要保密的信息在传输过程中被窃取和破译,‘窃听风云’的故事将从此进入故纸堆中,传统意义上的‘黑客’也将失去用武之地。”张文卓说。

——借助强大的运算能力改造传统行业。量子计算机能够大规模、多线程处理数据,所建立的数据模型精度将有指数级的提升。

“比如可以把某种病毒体内的各种成分分析得清清楚楚,可以制造针对性很强的药物,还可以在大量数据中分析筛选出特定性,比如通过罪犯身上的某个特点,利用量子计算机很快就能锁定目标,不用在茫茫人海中筛选和搜寻。”郭光灿说。

产业化还有多远?

我国在量子通信研究和光量子计算方面都处于世界领先地位,已经实现了“弯道超车”。

绝对安全的秘信,“秒杀”超级计算机的计算“神器”……这些美好愿景什么时候能够成为现实?事实上,在这一次的量子科技革命中,我国在量子通信研究和光量子计算方面都处于世界领先地位,已经实现了“弯道超车”。在不少投资机构和业内人士眼中,这一高新技术的产业化虽然才刚起步,却代表了数据传输速度与安全的未来。

“不可否认的是,量子通信技术的未来市场空间巨大。”科大国盾量子技术股份有限公司总裁赵勇认为,未来五到十年内,实用化量子保密通信技术有望走向大规模应用,同时带动元器件等上下产业链发展。

由我国科学家自主研发的世界首颗“量子卫星”也发射在即,将与地面上的光学实验室进行“互动”。结合将于今年开通的通信保密干线“京沪干线”,我国将有望初步构建广域量子通信体系。

相较量子通信领域“热火朝天”的景象,量子计算机多项研究仍处于实验室阶段。研究人员表示,目前面临的最大难题是,科学家还没有找到足够抗干扰的系统来实现实用性的量子计算机。即便如此,谷歌、IBM等多家高科技企业与科研机构都在持续投入研发经费和研发力量,力争在量子信息技术研发和应用上占据先机。

去年,中科院与阿里巴巴共同开展了量子计算研究,开创了我国民营企业在战略性高科技领域大规模研发投入的先河。“这就如同上世纪五六十年代以贝尔实验室为首的科研机构长期大规模投入,才使得我们今天能用到便利廉价的信息技术。”张文卓说,量子信息技术值得今日大力投入,其研究任重而道远。（朱涵）