2030•预见未来：量子互联网、量子计算机将投入应用

我的位置：科教 > 创新之城 > 文章详情

分享至：

(3)

(0)

来源：上观新闻作者：俞陶然 2017-05-29 15:51

摘要：陆朝阳预测，我国将在未来10年内建成一个天地一体化的量子通信网络，用来保障国家安全和个人支付安全；2030年前，量子计算机也将投入实际应用，解决许多具有重大经济和社会价值的问题。

到2030年，科技发展会给我们生活带来什么样的改变？“2030•预见未来”创新说暨上海市科技系统青年表彰会近日举行，中科大上海研究院教授、国家自然科学奖一等奖获得者陆朝阳等7位科技工作者上台演讲，从各个角度为听众展示了我国科技发展的趋势。在量子科技领域，陆朝阳预测，我国将在未来10年内建成一个天地一体化的量子通信网络，形成下一代的量子互联网，用来保障国家安全和个人支付安全；2030年前，量子计算机也将投入实际应用，解决许多具有重大经济和社会价值的问题。

量子会像孙悟空那样“分身”

量子科技的基础是量子力学，这是一个与牛顿力学等经典力学差异很大的物理学分支，由普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔等物理学家创立。它是迄今为止描述微观世界最准确的理论，也堪称世界上最难理解的科学理论。玻尔有句名言：“如果谁不对量子论感到困惑，他就没有理解这个理论。”物理学家费曼则说：“我想我可以很确定地说，没有人理解量子力学。”

尽管如此，陆朝阳在演讲中还是尽力科普，让听众对量子力学有基本的了解。在物理学中，一个量如果不能连续变化，只能取一些分立的值，我们就说它是量子化的。好比上台阶，只能上一个台阶，而不能上半个。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化，但在微观世界，许多物理量是量子化的。如氢原子中电子的能量只能取一个基本值——-13.6电子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等，而不能取其2倍或1/2、1/3。

量子力学描述世界的语言与经典力学有根本区别。经典力学描述一个物体的状态，会给出它的明确位置；量子力学描述一个微观粒子的状态，给出的则是叠加态——这个粒子在某些情况下既可能在这里，也可能在那里，没有确定位置。好比孙悟空的分身术，一个孙悟空同时出现在多个地方，孙悟空的各个分身就像是他的叠加态。

量子通信为何“无条件安全”

在通信领域，经典通信的信号只有0和1，量子通信不但有信号0和1，还有0+1、0-1等量子叠加态。通过这种特性，科学家发现了量子不可克隆原理：在量子力学中，不可能实现对一个未知量子态的精确复制。这是量子通信达到“无条件安全”的基本科学原理之一。

陆朝阳说，任何经典通信都存在被窃听的可能性。如打电话时，他人可通过窃听器，从通信线路中的信号中分出一些，使其进入另一根线路。窃听时，0和1这两种信号不会被扰动，所以通话者无法察觉。与经典通信不同，量子通信可以将信息编码，加载到单个光子的量子叠加态的偏振方向上。单光子是光能量的最小组成单元，不能被再分割，量子状态无法被精确复制，任何窃听行为都会对其造成扰动，从而被通信双方察觉并规避。通过量子态传输，通信双方协商生成量子密钥，再加上对信息进行“一次一密”的加密保护，真正实现信息在传输中的完全随机、不可破译，从根本上解决通信安全问题。

我国正在构建的天地一体化量子通信网络

去年8月，我国发射了世界首颗量子科学实验卫星，并已建成量子通信“京沪干线”，在全球处于领跑地位。陆朝阳预测，到2030年，量子通信将实现大规模应用。经典通信的硬件设施不会被取代，只需在原有设施上“锦上添花”——在通信发送端和接收端安装单光子探测器、量子网关等量子加密设备，即可在电话、传真、光纤网络等原有通信网络中实现量子通信，安全性大幅提升。

量子计算机将“秒杀”超算

利用0+1、0-1等量子叠加态，各国科技人员还在研发量子计算机。经典计算机的1比特，要么是0，要么是1。而量子比特能同时处于0和1两种状态。随着可操纵的量子数量增加，量子计算机的计算能力就会指数级上升。

指数级上升的威力有多大？印度的棋盘麦粒故事很能说明问题。舍罕王打算奖赏国际象棋的发明人——宰相西萨·班·达依尔，就问他想要什么。达依尔对国王说：“请您在这张棋盘的第一个小格里，赏给我1粒麦子，在第二个小格里给2粒，第三小格给4粒，以后每一小格都比前一小格加1倍。请您把摆满棋盘上所有64格的麦粒，都赏给我吧！”国王觉得这个要求太容易满足了，就命令手下搬来几袋麦粒。当计数开始一段时间后，国王才发现：就算把全世界的麦粒都拿来，也填不满这些象棋格子。

同样道理，当量子计算机可操纵的量子数达到一定级别，它的计算能力会十分惊人。陆朝阳表示，当计算机发展到50个量子位的时候，就能够实现“量子称霸”，对特定问题的处理能力远超现在的超级计算机。这意味着，许多大规模计算难题能得到有效的解决方案，在密码破解、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探等领域具有巨大的应用前景。