潘建伟院士团队：何为量子通信、量子精密测算、量子计算

来源：学习日报

近期，学习时报围绕量子信息科技主题，特约潘建伟院士团队撰写《量子通信：未来自主可控信息安全生态的重要保障》《量子精密测量：测量精度突破经典技术极限》《量子计算：后摩尔时代计算能力提升的解决方案》三篇科普文章，对量子信息科技进行了较为完整的介绍和展望。

量子通信：未来自主可控信息安全生态的重要保障

作者：徐飞虎 彭承志 潘建伟

信息安全是事关国计民生的重大战略领域。传统的信息安全通过依赖于计算复杂度的加密算法来实现，然而随着计算能力的飞速发展，依赖于计算复杂度的传统加密算法面临着日益加剧的安全风险。

基于量子密钥分发的量子保密通信是迄今唯一原理上无条件安全的通信方式。量子密钥分发是指利用量子态来加载信息，通过一定的协议产生密钥。量子力学基本原理保证了密钥的不可窃听，从而实现安全的量子保密通信。量子保密通信的安全性基于物理学基本原理，与计算复杂度无关，即使未来强大的量子计算机问世也不会对其安全性形成威胁。

量子保密通信是最先走向实用化和产业化的量子信息技术。通过量子密钥分发所生成的安全密钥，除了原理上无条件安全的“一次一密”加密方式外，还可以与经典对称加密算法相结合，兼顾安全性与通信速率。例如，按照现有技术水平，量子密钥分发与AES(高级加密标准)加密算法相结合，可以达到Gbps(交换带宽)的通信速率，同时大幅提升种子密钥的更新率，有效提升通信安全水平。此外，也可与下一代的“PQC(抗量子计算密码)”相结合，增强身份认证等的安全性。

广域量子通信的发展路线

量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络，进而通过中继器实现邻近两个城市之间的连接，最终通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接，是广域量子通信网络的发展路线。

在城域量子通信网络方面，中国科学技术大学先后建成国际上首个全通型城域量子通信网络、首个量子政务网以及首个规模化城域量子通信网络，并在这一过程中将相关技术发展成熟，自主研制的量子保密通信装备已经为很多重要活动提供了信息安全保障。

在基于可信中继的城际量子通信网络方面，国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”，于2016年底全线贯通。干线全长2000余公里，连接北京和上海，贯穿济南、合肥等地。在沿线金融、政务、电力等部门的合作下，开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范。在“京沪干线”应用示范的基础上，国家发展改革委于2018年2月批复了“国家广域量子保密通信骨干网络”项目，将覆盖京津冀、长三角、粤港澳、成渝等重要区域，推动量子保密通信的规模化应用。

在星地自由空间量子通信方面，在中国科学院的支持下，中国科学技术大学联合中科院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院等单位，研制成功世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”。“墨子号”于2016年8月发射升空，在国际上率先实现了星地量子通信，首次实现了距离达7600公里的洲际量子通信，充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。利用“墨子号”积累的成功经验，量子卫星的研制成本已由数亿元降到千万元量级，预计2022年初小型化量子卫星将发射升空，为构建低成本的星群奠定基础。地面接收站的重量也已由十几吨降到100公斤左右，可初步支持移动量子通信。

结合“墨子号”量子卫星与“京沪干线”，我国率先构建了天地一体化广域量子保密通信网络的雏形，成为近年来国际量子信息研究的一大标志性事件。

量子通信技术应用推广

2020年10月16日，中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习，习近平总书记主持学习并指出，“统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发，培育量子通信等战略性新兴产业，抢占量子科技国际竞争制高点，构筑发展新优势”。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等，都是基于我国前期，10余年的基础和应用研究成果而进行的工程化集成与验证项目，为核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和未来规模化的应用起到了良好的示范效果，稳步推进了量子保密通信在商业和国家安全领域的应用。

在核心量子通信器件方面，中国电子科技集团有限公司、中国科学技术大学、中科院上海微系统与信息技术研究所等实现了通信波段单光子探测器和量子随机数产生器等主要器件的初步国产化，打破了国外禁运的壁垒。在未来2至3年，通过关键器件的芯片化，量子加密设备的尺寸可缩小到手机大小，并大幅降低成本。

相关应用标准制定方面，在我国50余家科研机构和企业的积极参与下，中国通信标准化协会、全国信息安全标准化技术委员会、密码行业标准化技术委员会等国家标准组织，围绕量子保密通信技术的互联互通、安全测评、应用服务等方面，编制了多项国家标准和行业标准。我国学者突破了美加等西方国家的阻碍，在国际电信联盟发起成立了国际首个涵盖量子信息全领域的标准化组织，目前正在牵头编制多项国际标准。

量子通信技术发展前景

近年来，我国学者在单光子雷达领域已取得了一批具有国际影响力的成果：突破了常温下探测红外单光子的量子效率极限，实现了远距离红外单光子大气雷达探测;实现了大气风场的昼夜连续探测，并创造了200公里的单光子成像最远距离世界纪录。同时，利用单光子雷达能够对隐藏在视线外的物体进行观测，即“非视域成像”，实现“隔墙观物”，在反恐防暴、紧急救援等领域具有广泛的应用前景;实现了远距离非视域成像，首次将成像距离从米级提高到公里级，极大地推动了非视域成像技术的实用化发展。量子通信研究中发展的单光子探测技术还可以极大地提升传统激光雷达的探测灵敏度、探测距离、分辨率等性能，即“单光子雷达”。单光子雷达可以实现对远距离、高精度软目标(大气)和硬目标(物体)的探测，已经在对地测绘、远程预警、全球态势感知、大气污染检测和预报、航空航天作业等领域发挥了重要作用。

得益于我国率先开展了广域量子通信的技术验证与应用示范，网络技术已初步满足实用化要求，核心器件的国产化和设备的小型化已初步实现，具备了在关键部门先行先试的条件。在激烈的国际竞争环境下，当前正是我国加快推进量子保密通信应用，尽早形成信息安全非对称优势的最佳时机。通过10年左右的努力，我国有望构建完整的广域量子通信网络技术体系，为形成未来自主可控的国家信息安全生态提供重要保障。(文章刊载于《学习时报》2022年1月19日第6版)

 

量子精密测量：测量精度突破经典技术极限

 

作者：卢征天 潘建伟

精密测量是科学研究的基础。可以说，整个现代自然科学和物质文明是伴随着测量精度的不断提升而发展的。以时间测量为例，从古代的日晷、水钟，到近代的机械钟，再到现代的石英钟、原子钟，随着时间测量的精度不断提升，通信、导航等技术才得以不断发展，不仅给社会生活带来极大的便利，也为新的科学发现提供了利器。因此，更高的测量精度一直是人类孜孜以求的目标。

随着量子力学基础研究的突破和实验技术的发展，人们不断提升对量子态进行操控和测量的能力，从而可以利用量子态进行信息处理、传递和传感。量子精密测量是利用量子力学规律，特别是基本量子体系的一致性，对一些关键物理量进行高精度与高灵敏度的测量。利用量子精密测量方法，人们在时间、频率、加速度、电磁场等物理量上可以获得前所未有的测量精度。正是由于量子调控与量子信息技术的发展，2018年第26届国际计量大会正式通过决议，从2019年开始实施新的国际单位定义，从实物计量标准转向量子计量标准，这标志着精密测量已经进入量子时代。

时间频率的精密测量

高精度时间频率的测量和应用支撑着相关科学研究的发展、经济社会的运行和国家安全系统的建设。高精度时频服务系统是国家战略资源。

原子钟所给出的频率和时间标准是目前测量精度最高的基本物理量。同时，原子钟精度的提高也带动其他基本物理量测量、物理常数定义和物理定律检验精度的提高，促进了新物理的发现和科学技术的进步。在微波段运行的原子钟已被广泛应用于导航、通信等领域。被广泛使用的卫星定位系统(例如我国的北斗导航系统、美国的全球卫星定位系统GPS等)中的每一颗卫星都载有多台微波段原子钟，通过对信号到达的时间做精确测量来给出用户定位信息。由于在导航系统中的关键作用，星载原子钟被喻为卫星导航系统的心脏。我国科学家正在积极发展下一代更高精度的星载微波段原子钟，2018年在国际上首次实现了利用激光冷却技术的空间冷原子钟。

由于量子精密测量方法上的突破，在光波段运行的原子钟(简称光钟)具有更高的精确度与稳定度，有望达到10-21量级(即万亿年的误差不超过1秒)。光钟技术在近20年来迅猛发展，例如，美国国家标准局研制的锶原子光钟，在不确定度上达到10-18量级、稳定度达到10-19量级，相比微波原子钟进步了至少两个数量级;我国科学家发展的钙离子光钟的不确定度与稳定度均进入10-18量级。同时，我国已布局发展空间光钟，目标是要在太空中把时间频率测量精度提高两个数量级。新一代时间测量与传递技术将为洲际光钟比对、国际“秒”定义的产生作出贡献，为未来引力波探测、暗物质探测等物理学基本原理检验提供新方法。同时，对光信号的高精度相位控制与测量，也会极大地提升未来星地一体量子通信网络的信息传递速度。

量子导航

惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有高隐蔽性、全时空间工作的优势，在国家安全等领域具有重要的应用价值。

根据公开报道的当前最好的经典惯性导航技术，水下航行100天之后的定位误差将达到100千米量级，还不足以支持长时间的完全自主导航。通过对原子的量子调控，基于原子自旋、冷原子干涉效应的量子陀螺仪和重力仪可实现超高灵敏度的惯性测量，有望达到水下航行100天之后的定位误差小于1千米，实现长时间完全自主导航。因此，基于量子陀螺仪和重力仪的导航系统，在长航时高精度自主导航、前沿物理等领域具有重要应用。此外，高精度的重力测量还可广泛应用于大地测量、资源勘探等领域。

目前，我国研究人员研制成功的原子自旋陀螺原理样机，指标与国外公开报道的最高指标相当;可移动原子重力仪精度已接近国际一流水平，小型移动式冷原子重力仪达到了目前国际上野外连续重力观测的最好水平，为实现高精度自主导航系统奠定了基础。

单量子灵敏探测

对单光子、单电子、单原子、单分子等量子系统的高灵敏度探测具有广泛的应用价值，成为近年来国际物理学研究的热点前沿领域。

单自旋探测技术在量子计算、生命科学、材料科学等领域有广泛应用。我国研究人员利用以金刚石NV色心为代表的固态单自旋体系实现了同时具有高空间分辨率与高灵敏度的磁场探测技术，在室温大气条件下获得了国际上首张单个蛋白质分子的磁共振谱，为研究单分子、单细胞层面的生物学问题提供了测量基础。该技术也可用于探索微观尺度的磁性质、磁结构等。

单原子探测技术在地球科学、环境监测等领域有广泛应用。我国研究人员发展了新一代激光原子阱单原子灵敏检测方法，可以一个一个地数出环境样品中所含的极微量同位素原子，包括空气中含量仅为百亿亿分之一的氪-81同位素。这一天然示踪剂被用来帮助了解全球与区域性水、冰循环过程，给百万年的古地下水与冰川定年，为气候变化研究、水资源管理提供关键数据。

分子包含电子运动、振动和转动等多个量子化自由度，单分子尺度的量子体系由于具有强烈的空间限域、结构对称性破缺和显著的分立能级结构，表现出十分丰富和新奇的量子效应。我国研究人员利用扫描电镜、原子力显微镜、拉曼光谱三种探测方法的联用，全面揭示了表面上单个分子的结构与变化，在单化学键精度上实现了单分子多重特异性的综合表征。

近年来，我国学者在量子精密测量方面不断追赶国际先进水平，技术突飞猛进，成果斐然。譬如，在原子钟、量子陀螺仪等方面的关键技术已经接近国际先进水平;在量子雷达、痕量原子示踪、弱磁场测量等方面已经达到国际先进水平，并取得了一批国际领先的成果。随着研究水平的不断提升和核心竞争力的进一步增强，我国量子精密测量领域将在科学研究、经济生活和国家安全等重大战略需求中发挥重要作用。(文章刊载于《学习时报》2022年2月16日第6版)

 

量子计算：后摩尔时代计算能力提升的解决方案

 

作者：朱晓波 陆朝阳 潘建伟

量子计算是基于量子力学的全新计算模式，具有原理上远超经典计算的强大并行计算能力，为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，并可揭示量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制。

与传统计算机使用0或者1的比特来存储信息不同，量子计算以量子比特作为信息编码和存储的基本单元。基于量子力学的叠加原理，一个量子比特可以同时处于0和1两种状态的相干叠加，即可以用于表示0和1两个数。推而广之，n个量子比特便可表示2n个数的叠加，使得一次量子操作原理上可以同时实现对2n个叠加的数进行并行运算，这相当于经典计算机进行2n次操作。因此，量子计算提供了一种从根本上实现并行计算的思路，具备极大超越经典计算机运算能力的潜力。

类似于经典计算机，量子计算机也可以沿用图灵机的框架，通过对量子比特进行可编程的逻辑操作，执行通用的量子运算，从而实现计算能力的大幅提升，甚至是指数级的加速。一个典型的例子是1994年提出的快速质因数分解量子算法(Shor算法)。质因数分解的计算复杂度是广泛使用的RSA公钥密码系统安全性的基础。例如，如果用每秒运算万亿次的经典计算机来分解一个300位的大数，需要10万年以上;而如果利用同样运算速率、执行Shor算法的量子计算机，则只需要1秒。因此，量子计算机一旦研制成功，将对经典信息安全体系带来巨大影响。

量子计算的发展阶段

量子计算机的计算能力随量子比特数目呈指数增长，因此量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模，国际学术界公认量子计算有如下发展阶段：

第一个阶段是实现“量子计算优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。美国谷歌公司在2019年率先实现超导线路体系的“量子计算优越性”。我国则分别于2020年在光量子体系、2021年在超导线路体系实现了“量子计算优越性”。目前，我国是世界上唯一在两种物理体系达到这一里程碑的国家。

第二个阶段是实现专用量子模拟机，即相干操纵数百个量子比特，应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，指导材料设计、药物开发等。达到该阶段需要5至10年，是当前的主要研究任务。

第三个阶段是实现可编程通用量子计算机，即相干操纵至少数百万个量子比特，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于量子比特容易受到环境噪声的影响而出错，对于规模化的量子比特系统，通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求，也是一段时期内面临的主要挑战。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明确，国际学术界一般认为还需要15年甚至更长时间。

目前，国际上正在对各种有望实现可扩展量子计算的物理体系开展系统性研究。我国已完成了所有重要量子计算体系的研究布局，成为包括欧盟、美国在内的三个具有完整布局的国家(地区)之一。

超导量子计算实现赶超

目前，美国谷歌公司、IBM公司以及中国科学技术大学是全球超导量子计算研究的前三强。2019年10月，在持续重金投入量子计算10余年后，谷歌正式宣布实验证明了“量子计算优越性”。他们构建了一个包含53个超导量子比特的量子处理器，命名为“Sycamore(悬铃木)”。在随机线路取样这一特定任务上，“悬铃木”展现出远超超级计算机的计算能力。2021年5月，中国科学技术大学构建了当时国际上量子比特数目最多的62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现了可编程的二维量子行走。在此基础上，进一步实现了66比特的“祖冲之二号”。“祖冲之二号”具备执行任意量子算法的编程能力，实现了量子随机线路取样的快速求解。根据目前已公开的最优化经典算法，“祖冲之二号”对量子随机线路取样问题的处理速度比目前最快的超级计算机快1000万倍，计算复杂度较谷歌“悬铃木”提高了100万倍。

其他体系的量子计算研究

离子、硅基量子点等物理体系同样具有多比特扩展和容错性的潜力，也是目前国际量子计算研究的热点方向。我国在离子体系的量子计算研究上起步较晚，目前整体上处于追赶状态，国内的优势研究单位包括清华大学、中国科学技术大学和国防科技大学等，在离子阱的制备、单离子相干保持时间、高精度量子逻辑门、多比特量子纠缠等量子计算的基本要素方面积累了大量关键技术。我国在硅基量子点的量子计算方向上与国际主要研究力量处于并跑水平。此外，由于拓扑量子计算在容错能力上的优越性，利用拓扑体系实现通用量子计算是国际上面向长远的重要研究目标。目前国内外均在为实现单个拓扑量子比特这一“0到1”的突破而努力。

量子计算的未来发展

在实现了“量子计算优越性”的阶段目标后，未来量子计算的发展将集中在两个方面：一是继续提升量子计算性能。为了实现容错量子计算，首要考虑的就是如何高精度地扩展量子计算系统规模。在实现量子比特扩展的时候，比特的数量和质量都极其重要，需要实验的每个环节(量子态的制备、操控和测量)都要保持高精度、低噪声，并且随着量子比特数目的增加，噪声和串扰等因素带来的错误也随之增加，这对量子体系的设计、加工和调控带来了巨大的挑战，仍需大量科学和工程的协同努力。二是探索量子计算应用。预计未来5年，量子计算有望突破上千比特，虽然暂时还无法实现容错的通用量子计算，但科学家们希望探索在带噪声的量子计算(NISQ)阶段，将量子计算应用于机器学习、量子化学等领域，形成近期应用。(文章刊载于《学习时报》2022年3月2日第6版)