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《麻省理工科技评论》专访潘建伟:我们曾经只是跟随者和学习者,现在有机会成为引领者

2018-12-24
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2017 年 9 月 29 日,中国的“墨子号”量子科学试验卫星传送了一场维也纳与北京之间的加密视频会议,虽然这两座城市各处世界一端且相距甚远,不过即便是黑客也无法窃取两地之间的通信内容。当卫星以每小时 1.8 万英里(2.9 万千米)的速度划过夜空时,数据将被传送到位于北京东北、距离只有几小时车程的兴隆地面基站。不到一小时后卫星经过奥地利上空,将另一组数据发送到格拉茨附近的接收站。


这些数据包是用于保护信息传送的密钥。不过经由卫星分发的密钥,其与众不同之处在于它是利用光量子进行编码的。任何试图拦截信息的行为将会破坏这种状态,从而使得信息被销毁,同时也会让黑客暴露行踪。这意味着量子加密技术的安全性远远超过经典二进制位密钥——一股可以被阅读以及复制的表示 1 和 0 的光电脉冲。


视频是通过常规方式,而非通过量子技术加密的。但是由于信息解读过程需要量子密钥,所以其安全性就大大得到了保证。这就使得世界上首例量子加密洲际视频连线成为了可能


这项伟大创举的背后正是现今 48 岁的潘建伟教授,他来自有着“中国加州理工”美誉的中国科学技术大学(USTC)。凭借着一系列在科技方面的重大突破,他已然成为中国科学界的一位重量级人物,其研究成果得到了习近平主席的褒奖


图丨潘建伟团队成果曾登上 Science(来源:Science)


量子通信和量子计算现在仍处于萌芽阶段,但这两者都是中国政府力求在 2030 年前取得突破的重大科研项目。就像美国曾经主导计算机技术以及其催生出的信息革命一样,中国也有望在量子时代到来前夕领跑全世界


潘建伟就是这项事业的核心人物,他在 2011 年成为了中国科学院有史以来最年轻的院士。


在接受《麻省理工科技评论》采访时,潘建伟谈到了国际合作对于该研究的重大意义,但是他也明确表示,中国看到了改变现有科技领域的潜在机遇。潘建伟说道,“在现代信息科学发展的初期,我们曾经只是跟随者和学习者,现在我们有机会成为引领者。”


潘建伟的宏伟计划包括:建立一个覆盖全球的、安全系数极高的量子卫星通信网络;在建造功能强大的量子计算机上,帮助中国赶上甚至是超越美国。量子计算机最基本的计算单元就是量子位,与二进制位不同的是它能够同时包含量子态下的 1 和 0。通过一种被叫做“纠缠”的神秘现象将量子位连接起来,量子计算机的数据处理能力就会得到指数级的提升。


在未来,量子计算机可以被用于研究新材料或者开发新药物,因为传统计算机无法模拟极其复杂的化学反应。得益于量子计算,人工智能也将会取得长足发展。使用量子密钥分发(QKD)的安全网络可以为商务交易传递保密信息,同时也能够为军事行动和通信提供最高密级的保障。现在,开发人员正致力于量子传感器的研究,这项技术能够使潜水艇摆脱传统的卫星导航。另一方面,依靠该技术的量子雷达将能够侦测出“隐形”飞行器的存在


图丨接收器发出的激光束将会帮助与卫星与地面基站建立连接(来源:麻省理工科技评论 JOINT EFFORTS)


同心协力


尽管中美之间在量子科技领域竞争激烈,但是传送视频会议的“墨子号”卫星在很大程度来说仍旧是一项国际合作的产物。卫星的名字来自于一位中国古代的科学家和思想家。


卫星是由两支团队共同研发的,一支是潘建伟领导的中国团队,另一支是由奥地利维也纳大学量子物理学家安东·塞林格领导的奥方团队。在上世纪 90 年代,塞林格是潘建伟的博士生导师,他很看好这个来自中国的年轻学生。塞林格回忆说,“潘建伟刚来这里时就全身心地投入到理论物理学的研究中,但我觉得这个小伙子大有可为,于是便让他转向实验方向,结果他真的非常优秀。”


图丨安东·塞林格(来源:维也纳大学)


事实上,早在 2011 年潘建伟就提议在量子密钥分发方面开展国际合作,这让塞林格兴奋不已。潘建伟的团队经过几年的实验证明了空基系统的可行性,最终他们得到了中国政府的支持并建造了一颗具有专门用途的卫星,该卫星于 2016 年发射升空


在陆地上进行量子密钥分发实验已经是困难重重,然而利用卫星则意味着需要解决更多的额外问题:从保证卫星与地面基站之间协调精准的信息传输到如何将光子在大气层中的损耗降到最低。观察家们纷纷对此产生了兴趣,来自多伦多大学的物理学教授 Hoi-Kwong Lo 说道,“中国可以倾举国之力进行量子科学的研究,这意味着他们可以做到很多其他国家做不到的事情。”


中国在量子科技领域的其他成就还包括,建立了世界上最长的陆地量子密钥分发网络。这条北京与上海之间长达 2032 千米(1263 英里)的陆地链接也是在潘建伟的主持下建设的,沿途的各个基站可以互相传送量子密钥,为金融服务和加密信息的传输提供了具有极高安全性的网络保障。此外,一些城市也在建设自己的市级量子网络。


(来源:USTC)


有关中国到底在量子科技项目上投入多少资金我们还不得而知,因为这一数目目前尚未公开。但潘建伟表示,在接下来的国家量子项目中,政府的投入会与欧洲最近启动的重大量子科研计划“至少大致相当”。该计划预期 10 年,投入资金 10 亿欧元(约合 11 亿美元)。


虽然资金很重要,但是决定中国能否在量子项目上取得重大突破,除了在卫星和其他项目上的投资,还有更多其他的因素。中国同样也得益于长达数十年的青年学者留学计划,他们师从像塞林格这样的顶级专家,然后把所学的知识带回祖国并继续从事相关的研究。


在中国,量子科学的高水准论文不胜枚举,而且有关量子通信以及量子加密领域的注册专利数也在不断增加,远超美国和世界其他国家。


为了培养未来的量子技术研究人才,中国政府投入 10 亿美元,正在合肥兴建一座国家级量子信息科学实验室,并将于 2020 年正式交付使用。届时,实验室将吸纳来自各个学科的专家,比如物理学、电子工程学以及材料科学。一部分政府拨款将会用于中国科大新校区的建设,为国家培养更多的量子技术人才。


潘建伟说道,“我们都在为培养未来的量子技术人才而努力奋斗着。”


不过,潘建伟已经在中国科大创建了一个量子信息与量子物理研究中心。2018 年 6 月,来自该中心的一个团队宣布实现了 18 个光量子比特的纠缠刷新了纠缠量子位的世界纪录。像这样的成就将会让我们更加接近量子计算机成为现实的那一天,在某些特定任务上量子计算机的性能将会大大超越传统的超级计算机。


对于继续拓展空间量子科学的研究,中国依然不乏各种雄心勃勃的计划。潘建伟表示,在接下来的四到五年里,中国还将会发射四颗低轨道量子卫星,不久再发射一颗高轨道对地静止量子卫星。这一长期计划就是要建立一个打破传统的具有高安全系数的洲际量子网络。展望未来,也许有一天量子加密网络技术将会保护从智能手机到移动电脑的所有设备。


图丨站在接收器前方的中国量子事业带头人潘建伟。该接收器用于传输来自“墨子号”卫星的超级加密信号(来源:麻省理工科技评论 LEADER AND LAGGARD)


那么,中国真的准备好去主导即将到来的量子时代了吗?如果中国引领了量子科技的未来,会有哪些作为呢?


对于第一个问题的回答比较微妙。虽然说“墨子号”卫星以及地基量子密钥分发网络,让中国在量子加密通信领域暂时处于领先地位,但是其在量子计算机的开发上与美国还是有一定的差距。然而,我们可以从潘建伟团队在纠缠量子位方面取得的成就看出,中国正在奋起直追。在中国,像阿里巴巴和百度这样的大型科技公司也正在投入巨资从事量子计算的相关研究。就像美国的 IBM 和 Rigetti 公司一样,阿里巴巴已经启动了云计算服务,以便进行有关量子处理器的实验。


艾萨克·庄教授来自麻省理工学院,同时也是量子计算领域的先驱人物。他表示,中国之所以在量子科学上取得诸多突破,其中一点原因在于政府研发团队中国科学院以及地方大学之间的团结协作。目前欧洲正在进行量子技术的合作研究,然而美国却在制定综合性战略以发展量子技术和培养人才方面进展缓慢。


不管其他国家正在做什么,中国将会一往无前地推进自己的事业。潘建伟同时还强调了量子加密网络的巨大商业潜力。众多企业已经开始使用北京和上海两地之间的量子网络以保证传输信息的安全性。他预言,有一天各大洲的数据中心将会通过自己计划中的量子卫星网络彼此相连


-End-


参考:

https://www.technologyreview.com/s/612596/the-man-turning-china-into-a-quantum-superpower/


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