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        中國科大郭光燦院士:量子信息技術研究現狀與未來

        發布時間:2021-08-03   點擊:1867


        量子信息技術研究現狀與未來

        郭光燦(中國科學技術大學, 中國科學院量子信息重點實驗室)

                摘要:量子信息技術是量子力學與信息科學融合的新興交叉學科,它的誕生標志著人類社會將從經典技術邁進到量子技術的新時代,本文將闡述量子信息技術的研究現狀與未來。文中描繪了量子技術發展遠景,即筑建各種類型的量子網絡,包括量子云計算網絡、分布式量子計算、量子傳感網絡和量子密鑰分配網絡等。量子計算機已從實驗室的研究邁進到企業的實用器件研制,目前已發展到中等規模帶噪聲量子計算機 (noisy intermidiate-scale quantum, NISQ) 的階段. 在量子技術時代,沒有絕對安全的保密體系,也沒有無堅不摧的破譯手段,信息安全進入 “量子對抗” 的新階段。關鍵詞 量子信息技術,量子網絡,量子計算機,量子密碼。


        1、第二次量子革命
               1900年Max Planck提出 “量子” 概念,宣告了 “量子” 時代的誕生??茖W家發現,微觀粒子有著與宏觀世界的物理客體完全不同的特性。宏觀世界的物理客體,要么是粒子,要么是波動,它們遵從經典物理學的運動規律,而微觀世界的所有粒子卻同時具有粒子性和波動性,它們顯然不遵從經典物理學的運動規律。20世紀20年代,一批天才的年輕物理學家建立了支配著微觀粒子運動規律的新理論,這便是量子力學。近百年來,凡是量子力學預言的都被實驗所證實,人們公認,量子力學是人類迄今最成功的理論。

               我們將物理世界分成兩類:凡是遵從經典物理學的物理客體所構成的物理世界,稱為經典世界;而遵從量子力學的物理客體所構成的物理世界,稱為量子世界。這兩個物理世界有著絕然不同的特性,經典世界中物理客體每個時刻的狀態和物理量都是確定的,而量子世界的物理客體的狀態和物理量都是不確定的。概率性是量子世界區別于經典世界的本質特征[1]。

               量子力學的成功不僅體現在迄今量子世界中尚未觀察到任何違背量子力學的現象,事實上,正是量子力學催生了現代的信息技術,造就人類社會的繁榮昌盛。信息領域的核心技術是電腦和互聯網。量子力學的能帶理論是晶體管運行的物理基礎,晶體管是各種各樣芯片的基本單元。光的量子輻射理論是激光誕生的基本原理,而正是該技術的發展才產生當下無處不在的互聯網。然而,晶體管和激光器卻是經典器件,因為它們遵從經典物理的運行規律。因此,現在的信息技術本質上是源于量子力學的經典技術。

               20世紀80年代,科學家將量子力學應用到信息領域,從而誕生了量子信息技術,諸如量子計算機、量子密碼、量子傳感等。這些技術的運行規律遵從量子力學,因此不僅其原理是量子力學,器件本身也遵從量子力學,這些器件應用了量子世界的特性,如疊加性、糾纏、非局域性、不可克隆性等,因而其信息功能遠遠優于相應的經典技術。量子信息技術突破了經典技術的物理極限,開辟了信息技術發展的新方向。一旦量子技術獲得廣泛的實際應用,人類社會生產力將邁進到新階段。因此,我們將量子信息的誕生稱為第二次量子革命,而基于量子力學研制出的經典技術,稱之為第一次量子革命。量子信息技術就是未來人類社會的新一代技術。


        2、量子網絡

               量子信息技術最終的發展目標就是研制成功量子網絡 (如圖1所示)。

               量子網絡基本要素包括量子節點和量子信道。所有節點通過量子糾纏相互連接,遠程信道需要量子中繼。量子網絡將信息傳輸和處理融合在一起,量子節點用于存儲和處理量子信息,量子信道用于各節點之間的量子信息傳送。

               與經典網絡相比,量子網絡中信息的存儲和傳輸過程更加安全,信息的處理更加高效,有著更加強大的信息功能。量子節點包括通用量子計算機、專用量子計算機、量子傳感器和量子密鑰裝置等。應用不同量子節點將構成不同功能的量子網絡。典型的有 (表 1):

              (1) 由通用量子計算機作為量子節點,將構成量子云計算平臺,其運算能力將強大無比;

              (2) 使用專用量子計算機作為量子節點可以構成分布式量子計算,其信息功能等同于通用量子計算機。亦即應用這種方法可以從若干比特數較少的量子節點采用糾纏通道連接起來,可以構成等效的通用量子計算機;

                (3) 量子節點是量子傳感器,所構成的量子網絡便是高精度的量子傳感網絡,也可以是量子同步時鐘;

                (4) 量子節點是量子密鑰裝置,所構成的量子網絡便是量子密鑰分配 (QKD) 網絡,可以用于安全的量子保密通信。

        當然,單個量子節點本身就是量子器件,也會有許多應用場景,量子網絡就是這些量子器件的集成,其信息功能將得到巨大提升,應用更廣泛。

               上述的量子網絡是量子信息技術領域發展的遠景,當前距離這個遠景的實現還相當遙遠。不僅尚無哪種類型量子網絡已經演示成功,即使是單個量子節點的量子器件也仍處于研制階段,距離實際的應用仍有著很長的路要走。即便是單個量子節點研制成功,要將若干量子節點通過糾纏信道構成網絡也極其困難 —— 通常采用光纖作為量子信息傳輸的通道,量子節點的量子信息必須能強耦合到光纖通信波長的光子上,該光子到達下個量子節點處再強耦合到該節點工作波長的量子比特上,任何節點之間最終均可實現強耦合、高保真度的相干操控,只有這樣才能實現量子網絡的信息功能。目前,連接多個節點的量子界面仍然處于基礎研究階段。

               至于遠程的量子通道,必須有量子中繼才能實現,而量子中繼的研制又依賴于高速確定性糾纏光源和可實用性量子存儲器的研究,所有這些核心器件仍然處于基礎研究階段,離實際應用還很遠。

        因此整個量子信息技術領域仍然處于初期研究階段,實際應用還有待時日。

               那么,量子信息技術時代何時到來?量子計算機是量子信息技術中最有標志性的顛覆性技術,只有當通用量子計算機獲得廣泛實際應用之時,我們才可斷言人類社會已進入量子技術新時代。

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