20世紀，“第一次量子革命”孕育出激光、半導體、核能等技術(shù)，發(fā)展出光通信、電子計算機、手機、互聯(lián)網(wǎng)等改變?nèi)祟愇拿鬟M程的重大應用，對我們的生活方式產(chǎn)生了巨大影響。進入21世紀，以“量子調(diào)控”為特征的“第二次量子革命”拉開序幕，這次量子革命將會給人類文明帶來更巨大的進步。目前，我國在“第二次量子革命”中已搶占前沿：成功發(fā)射全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，成功實現(xiàn)千公里級星地量子糾纏分發(fā)、星地量子密鑰分發(fā)和星地量子隱形傳態(tài)；成功開通世界首條量子保密通信干線—“京滬干線”；成功研發(fā)世界上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機。

“墨子號”：世界上第一顆空間量子科學實驗衛(wèi)星

通信安全是國家信息安全和人類經(jīng)濟社會生活的基本需求。千百年來，人們對于通信安全的追求從未停止。然而，基于計算復雜性的傳統(tǒng)加密技術(shù)，在原理上存在著被破譯的可能性。隨著數(shù)學和計算能力的不斷提升，經(jīng)典密碼被破譯的可能性與日俱增。量子通信基于量子物理學的基本原理，克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，是迄今為止唯一被嚴格證明是無條件安全的通信方式，可以從根本上解決國防、金融、政務、商業(yè)等領(lǐng)域的信息安全問題。目前，基于光纖的城域和城際量子通信技術(shù)正在走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化，我國在這方面已經(jīng)走在了世界前列。但是由于光纖的固有損耗以及單光子狀態(tài)的不可復制性，目前點對點光纖量子通信的距離難以突破百公里量級。因此，要實現(xiàn)廣域乃至全球化的量子通信網(wǎng)絡，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)?！澳犹枴闭窃谶@種大背景下應運而生的。

2016年8月16日，我國成功發(fā)射了全球第一顆空間量子科學實驗衛(wèi)星—“墨子號”，意味著在世界上率先實踐量子通信?！澳犹枴币慌e突破了光量子的傳輸距離難以突破百公里級這一瓶頸，開創(chuàng)了利用衛(wèi)星千公里傳送量子信息的先河，也將量子通信推到了實用的當口。我國量子科學實驗衛(wèi)星首席科學家、中國科學院院士潘建偉說：“如果說地面量子通信構(gòu)建了一張連接每個城市、每個信息傳輸點的‘網(wǎng)，那么‘墨子號就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的‘標槍?！斓鼐W(wǎng)織就后，海量信息將實現(xiàn)‘無條件安全?！?p>

“墨子號”由中國科學技術(shù)大學、中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中國科學院上海技術(shù)物理所等多家單位合作研制，是由我國科學家自主研制的。為什么取名“墨子號”呢？哲學家、墨家學派創(chuàng)始人墨子是一位鮮為人知的科學家。《墨經(jīng)》里記載了世界上第一個“小孔成像”實驗，該實驗解釋了小孔成倒像的原因，而這正是現(xiàn)代照相技術(shù)原理的起源。這個實驗指出了光是沿著直線傳播的，也是第一次對光的直線傳播進行科學解釋—這在光學中是非常重要的一條原理，為量子通信的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。用“墨子號”來命名量子衛(wèi)星，和衛(wèi)星本身的意義相符，也體現(xiàn)了我們的文化自信。

“墨子號”自上天以來，不僅在國際上第一次成功實現(xiàn)千公里級的星地雙向量子通信，提前完成預先設定的量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)三大科學任務，而且結(jié)合“京滬干線”首次成功實現(xiàn)洲際量子保密通信，為我國繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

“墨子號”任務之一：星地量子糾纏分發(fā)―驗證世界謎題

量子力學建立初期，“糾纏”這個現(xiàn)象就引起了所有物理學家的好奇，愛因斯坦將其稱為“遙遠地點之間的詭異互動”。 通俗地說，兩個處于糾纏狀態(tài)的量子就像有“心靈感應”，無論相隔多遠，一個量子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個也會改變。過去的大半個世紀里，這種現(xiàn)象背后的本質(zhì)一直深深困惑著科學家們。

星地量子糾纏分發(fā)作為“墨子號”衛(wèi)星的三大科學實驗任務之一，是國際上首次在空間尺度上開展的量子糾纏分發(fā)實驗。

中國科學家通過“墨子號”衛(wèi)星，從太空將一對相互“糾纏”的量子“分發(fā)”到青海德令哈和云南麗江兩個地面站，發(fā)現(xiàn)在兩個相距超過1203公里的實驗站之間，量子的“糾纏效應”仍然有效，并通過數(shù)千對量子的實驗，檢驗了這一成果。

“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在千公里級的空間尺度上實現(xiàn)了嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗。這一重要成果為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。“墨子號”衛(wèi)星在世界上第一次實現(xiàn)千公里級的量子糾纏，將量子通信實用化進程向前推進了一大步。

“墨子號”任務之二：量子密鑰分發(fā)―構(gòu)建不可竊聽和破譯的通信方式

量子密鑰分發(fā)通過量子態(tài)的傳輸，使在遙遠兩地的用戶共享無條件安全的密鑰，并利用該密鑰對信息進行一次一密的嚴格加密，這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

“墨子號”量子密鑰分發(fā)實驗采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號、地面接收的方式?！澳犹枴狈謩e與河北興隆、奧地利格拉茨地面站進行了星地量子密鑰分發(fā)，通過指令控制衛(wèi)星作為中繼，建立了興隆地面站與格拉茨地面站之間的共享密鑰。科學家利用“墨子號”衛(wèi)星，在中國和奧地利之間首次實現(xiàn)距離達7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰實現(xiàn)加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信，成功舉行了75分鐘的中國科學院和奧地利科學院洲際量子保密視頻會議。該成果標志著“墨子號”已具備實現(xiàn)洲際量子保密通信的能力。

“墨子號”任務之三：量子隱形傳態(tài)—“星際穿越”不再是夢想

時空穿越一直是人類的夢想。在量子世界中，這種時空穿越的現(xiàn)象真的存在，這就是“墨子號”的第三個實驗—量子隱形傳態(tài)。量子隱形傳態(tài)是一種全新的通信方式。通俗來講，就是將甲地的某一個粒子的量子態(tài)信息在乙地的另一個粒子上還原出來，就好像是進行了一場“星際穿越”，但粒子本身并未被傳送。1997年，奧地利安東·塞林格團隊率先完成量子隱形傳態(tài)實驗，當時年輕的潘建偉也是團隊成員之一?，F(xiàn)在我國科學家通過“墨子號”量子衛(wèi)星，首次實現(xiàn)千公里級的量子隱形傳態(tài)，為未來開展空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

“京滬干線”：世界首條量子保密通信干線

2017年9月29日，世界首條量子保密通信干線—“京滬干線”正式開通。當日，結(jié)合“京滬干線”與“墨子號”的天地鏈路，我國科學家成功實現(xiàn)了洲際量子保密通信。這標志著我國在全球已構(gòu)建出首個天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡雛形，向未來實現(xiàn)覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡邁出了堅實的一步。建成后的“京滬干線”，連接北京、上海，貫穿濟南和合肥，形成全長2000多公里的量子通信骨干網(wǎng)絡，并通過北京接入點實現(xiàn)與“墨子號”的連接。“京滬干線”全線路密鑰率大于20千比特/秒，可滿足上萬用戶的密鑰分發(fā)業(yè)務需求，已實現(xiàn)北京、上海、濟南、合肥、烏魯木齊和奧地利科學院6點間的洲際量子通信視頻會議。

2017年9月29日下午，在“京滬干線”北京控制中心，中國科學院院長白春禮使用量子加密視頻會議系統(tǒng)，分別與合肥、濟南、上海、烏魯木齊等地成功地進行了通話。隨后，白春禮又通過“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星與奧地利地面站的衛(wèi)星量子通信，并與奧地利科學院院長安東·塞林格進行了世界首次洲際量子保密通信視頻通話。這次通話使用的量子密鑰，信號是這樣“走”的：先通過“京滬干線”北京控制中心與“墨子號”衛(wèi)星興隆地面站連接，打通天地一體化廣域量子通信的鏈路，然后通過“墨子號”與奧地利地面站的衛(wèi)星量子通信，來到7000公里以外的歐洲。

“京滬干線”與“墨子號”衛(wèi)星，已成功構(gòu)建出我國的天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡雛形。以“京滬干線”為基礎(chǔ)，我國將推動量子通信在金融、政務、國防、電子信息等領(lǐng)域的大規(guī)模應用，建立完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)，最終構(gòu)建基于量子通信安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)。此外，“京滬干線”的建成和開通也將吸引和培育一批量子保密通信領(lǐng)域的上下游企業(yè)，使量子保密通信產(chǎn)業(yè)成為我國重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

世界首臺量子計算機原型機在中國誕生

2017年11月，美國IBM公司宣布推出全球首款50個量子比特的量子計算機原型機，量子計算領(lǐng)域的競爭進入關(guān)鍵階段。在IBM公司宣布成果的半年前，即2017年5月3日，我國量子科學實驗衛(wèi)星首席科學家、中國科學技術(shù)大學潘建偉院士及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學王浩華教授研究組，成功構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機的光量子計算機原型機，實現(xiàn)10個超導量子比特糾纏，在操縱質(zhì)量上也是全球領(lǐng)先。這是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的基于單光子的量子模擬機，為最終實現(xiàn)“量子稱霸”的目標奠定了堅實的基礎(chǔ)。

為什么要研究量子計算機？從1970年到 2005年，正如摩爾定律預測的一樣，每18個月集成電路上可容納的元器件數(shù)目約增加一倍，計算機的性能也相應提升近一倍。但2005年后這種趨勢就開始放緩，極其微小的集成電路面臨散熱等問題考驗。

如果按這個趨勢繼續(xù)發(fā)展，當集成電路的尺寸接近原子級別的時候，電子的運動也不再遵守經(jīng)典物理學規(guī)律，這個時候量子力學將起到主導作用。量子計算利用量子相干疊加原理，在原理上具有超快的并行計算和模擬能力，計算能力隨可操縱的粒子數(shù)呈指數(shù)增長，可為經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案。傳統(tǒng)計算機要100年才能破解的難題，量子計算機可能僅需1秒。由于量子計算的巨大潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源，開展協(xié)同攻關(guān)，同時，大型高科技公司如谷歌、微軟、IBM等也強勢介入量子計算研究。

如果“量子稱霸”實現(xiàn)，人類計算能力將迎來飛躍，接下來會在多個領(lǐng)域推廣。一些行業(yè)巨頭已經(jīng)盯上了量子計算未來應用：阿里巴巴建立了量子計算實驗室；中國科學院與阿里云合作發(fā)布量子計算云平臺；IBM宣布計劃建立業(yè)界首個商用通用量子計算平臺，還與摩根大通等公司合作，計劃在2021年前推出首個在金融領(lǐng)域的量子計算應用。

“我相信量子技術(shù)在21世紀的重要性可與上個世紀的‘曼哈頓計劃相比。”潘建偉院士說。也就是說，量子技術(shù)可能像“曼哈頓計劃”造出原子彈那樣改變世界格局。