中国量子通信引领者:战略科学家的视野与理性坚守

  今年年初,潘建伟及团队的多光子纠缠及干涉度量,获2015年度我国国家自然科学奖一等奖。

  今年年初,潘建伟及团队的多光子纠缠及干涉度量,获2015年度我国国自然学奖一等奖。有媒体称成果为弯道超车利器。

  潘建伟说,多光子纠缠的意义,正如2012年诺贝尔物理学奖获得者wineland所指出的,纠缠粒子越多,量子力学非定域性越强烈,对量子信息处理也越有用。5个粒子纠缠在一起,功能还不够强大,如果能把100个粒子纠缠在一起,就很强大。如果制造一个量子计算机,里面有100个存储元,就能处于2100个状态的干叠加。比经典计算机,量子计算机以对2100个同时进行计算,由此带来计算能力重大飞跃。譬如求解亿亿亿变量的方程组,利用亿亿次的天河二号需要100年时间,而利用万亿量子计算机只需0.01秒钟。

  怎样才能让粒子纠缠得越来越多?这就需要存储,让纠缠态 活 得长久一点。由于这种态太脆弱,因而要把它保护在一种环境中,不要有干扰,要把噪音隔绝掉,那就需要绞尽脑汁,发展各种各样的技术。

  2005年,潘建伟团队的科研工作开始进入一种良性循环,并且开辟了一个新的方向开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。他们的自由空间技术,为后来的量子科学实验卫星打下了比较好的基础;而量子卫星的发射,将在国际上率实现高速星地量子通信,初步构建我国广域量子通信体系,形成天地一体的全球化量子通信基础设施与下一代国家主权信息安全生态系统。

  2016年下半年,京沪干线将建成,将成为连接北京、济南、合肥、上海等城域网络且全长2000多公里的量子保密通信线路,而成为全球首个远距离广域光纤量子保密通信骨干线年,由潘建伟担任首席科学家的量子科学实验卫星将发射升空,天地一体化的广域量子通信网络将初步实现。

  有人说,在德国海德堡,有一条著名的哲学家小路,黑格尔当年曾在这条小路上漫步思考,马克吐温、歌德、席勒等人都曾在这条小道上留下足迹。潘建伟团队的青年科学家说,这里也留下了他们与潘老师的足迹。中国科大的老师们说,在中国科大校园的夜幕中常见潘建伟及团队的身影。

  量子是个什么概念?譬如茶水,细分会成为一个个水分子,水分子就是保持水的化学性质的最小单元;空气细分,最后会变成一个个氧原子、氢原子、氮、氦等最小的颗粒。那么,太阳光照过来,会不会也是由小颗粒组成,或连续可以无限细分的能量组成的?通过研究,如果将太阳光不断地衰减,最后发现太阳光的能量也是一份一份的,这一份份的能量单元就是光量子,简称光子。那么,它的能量是什么?人们知道,光具有波粒二象性,它是电磁波也是微粒;光有振动频率,频率 普朗克常数,为光能的最小单元。光子可以有不同的振动方向,我们可以定义沿水平振动时称0,沿竖直振动称1,这样就可以加载一个比特的信息了。然而光子的振动方向不仅可以处于0或1,量子叠加原理告诉我们,光子的振动方向还可以处于0 1或0-1等这样的相干叠加状态。这是微观粒子区别于宏观物体的主要性质之一。

  如同水分子不能再细分1/2一样,光子也不能再分成1/2。这意味着,用单光子发送信号时,如果中间有人在窃听,那么,光子要么被偷走要么还在。量子通信安全性的秘诀在于:我们用单光子来送密钥,如果光子被窃听者拿走了,那么这个密钥我们就不要了;如果没有被拿走,我们就可以用这个光子产生密钥。窃听者或许会说,我能不能拍个照,拍照不就把信息复制同时又保留原来的光子了吗?然而,量子态的叠加性质决定,对未知量子态的测量会摧毁原来的状态,就会发生干扰。尽管光子没被拿走,这一过程中,他会留下痕迹。凭借这一痕迹,我们可以发现窃听行为,并把受到窃听的光子扔掉,而剩下的密钥又可以是安全的。与经典密码基于计算复杂度的安全性不同,量子密码基于物理学基本原理的安全性,只要量子力学是正确的,量子通信的安全性就从原理上得到保障,而不会受到计算能力提升带来的威胁。

  量子力学还告诉我们,单个光子可以处于0 1的叠加状态上,两个光子还可以处于00 11的状态,这种状态就称为量子纠缠。对多粒子纠缠的相干操纵,可以实现具有超强计算能力的量子计算。

  举例说,我们这个房间可以坐5个人,每个人有2种状态高兴或不高兴,即0或1。那么,5个人可以有2的5次方状态,总共就这几种组合。然而,在某一时刻,你肯定处于高兴或不高兴的某一种状态,所以,在我们每一天生活的世界中,我们5个人在某一时刻只能出现2的5次方这种可能性中的某一种状态。但是,到了量子世界,5个光子就可以同时处于2的5次方这种状态的相干叠加。那么,对于这种叠加状态,5个粒子还无甚了不起,2的5次方总共只有32种状态同时存在。然而,如果实现了100个粒子的相干操纵,它可以处于2的100次方个状态的相干叠加,那么相比经典计算机,量子计算机原理上就可以同时处理2的100次方个数据。这是一个非常巨大的数字,如果一个系统处于这么大的纠缠态,那么它的计算速度就比人们现在用的电子计算机快得多。比如,有一类问题玻色取样,它的计算复杂度是随着粒子数的增加而指数增长的。理论表明,目最好的商用cpu只能处理约25个粒子的玻色取样,而目最快的超级计算机天河2号能处理约45个粒子。如果量子计算机能够达到100个粒子的相干操纵,那么它对于处理这类问题的能力就可以达到天河2号的百亿亿倍!

  所以,我们这个项目叫做多光子纠缠及干涉度量,就是希望多光子纠缠起来,对它进行操纵,实现信息的调制、传输与探测,就可广泛用于量子通信、量子计算等方面。