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近期问答精选系列二:量子互联网

已有 1171 次阅读 2021-3-28 09:42 |系统分类:观点评述

近年来,有幸能够在量子信息科技领域的量子互联网方向上做一些研究工作,借此机会和大家分享此前和两位朋友之间的问答对话,分享版本为对话前期整理的内容。

问:什么是量子互联网?它由什么构成,有什么特别优势?

量子互联网是现有互联网概念与量子物理相结合的新兴科技领域,和现有互联网相同之处在于,量子互联网也涉及到信息技术的方方面面,比如信息的获取、传输、处理、存储、应用等等。从字面上看,量子互联网新奇在“量子”二个字上面。具体来说,体现在量子互联网里面的信息获取、传输、处理等过程,都满足量子物理的基本规律,比如奇怪的“薛定谔猫”(所刻画的量子纠缠现象)就生活在量子互联网的每一个角落。

谈到量子互联网的构成这个问题,其实答案很简单,它由富含量子资源的量子节点和连接这些节点的量子信道组成。事实上,很多熟悉互联网技术的专家学者在初看量子互联网(特别是量子信道)的硬件设施时,会产生一些误会,觉得这和他们熟悉的自由空间光通信、光纤通信网络没有什么改变,反而信号更弱,更不容易长距离实用化。这样的观点有一定的道理,但是对量子互联网中量子纠缠等资源的认识还不够充分,结论站不住脚跟。简而言之,回到最开始的问题,量子互联网有量子节点和连接量子节点的量子通道组成,量子节点根据功能不同有量子密码节点、量子传感(精密测量)节点、量子计算和模拟节点等等。量子通道包括使用自由空间、光纤或者铜缆进行直接传输的量子信道方案(多见于点对点的有限距离内使用)、以及基于量子纠缠和中继的(理论上)全球量子信道方案。

量子互联网的特别优势来自于蕴藏在网络中的量子资源,比如利用不确定性和非定域性等量子资源,人们可以利用量子物理保护的密码来进行安全通信,进行超越经典物理限制的信息获取,进行对现有密码技术的破译,甚至可以依靠网络中的量子信息处理节点,帮助人们缩短复杂科学问题的求解,乃至于在新药研制等关系国计民生的大事方面影响我们的日常生活。事实上,很多人对量子互联网的优势已经有了非常清晰的认识,但是部分人对这些优势是否能够真正到来仍然持有怀疑的态度,这是科学的态度。同样,肯定量子互联网优势的朋友,他们的态度也是科学的,而且是乐观的。尽管量子互联网还没有能够真正进入到我们的生产生活中,但是量子互联网的理论和技术基石是科学的,部分优势也得到了科学实验的验证。当然,还有一些观点认为,量子互联网将颠覆现有的互联网技术,这样的观点略显激进。事实上,量子互联网不会是现有互联网的替代者,在未来量子互联网和互联网技术会优势互补,融合发展,为人类社会的高度信息化、智能化提供物质保障。

问:目前情况——科研最新进展情况,从全球情况看距离实用还有多久?据我所知有一种说法“一个真正的全球性网络能够将纠缠态分布到连接的量子计算机和传感器上,这种完整的量子互联网或将在10年之后变为现实”,你怎么看?

如果问我“10年之后量子互联网变为现实”这个问题,我的答案是肯定的也是否定的。量子互联网的功能是将量子信息分发到连接的量子计算机和传感器上,实现这一功能的理论方案在1993年就已经提出了,后来科学家围绕理论方案的具体实现又提出了一系列更为实用的方案,并进行了实验验证。可以说实现量子互联网的道路越来越明朗,但是摆在通向胜利道路上的绊脚石也越来越清晰。所以,量子互联网变为现实是什么时候,用多少年来回答,都是可以的。或者换句话来说,我们什么时候清除绊脚石,什么时候就会迎来量子互联网。现在的绊脚石主要是量子互联网关键器件的性能指标还亟待进一步大大提升。

问:目前美国、欧盟等国家和地区有部署,该怎么看它们的部署?我们有相应部署吗?

美国、欧盟等国家和地区对量子互联网的部署,是他们信奉科技领先、美国第一、欧洲第一的价值观体现,通过高科技的高附加值掠取资源,也是他们参与全球竞争的有利手段。量子互联网涵盖了量子通信、量子计算、量子传感(精密测量)等重要方面,是世界公认的科技前沿领域之一,未来在这个领域的竞争将会更加激烈、更加直接。近年来,我们国家在量子科技方面的部署不晚于欧美等国太多,从2000年左右开始的973计划项目到现在的重大专项2030计划项目,我们国家对量子互联网涉及的方方面面都进行了投入。近年来,我们团队也得到了国家在量子科技部署方面的投入。比如,我们具体开始量子科技方面的研究工作是2017年左右,学校投入建有信息与量子实验室,目前着重发展量子互联网研究方向,即是发展连接量子计算机等量子节点的量子互联网系统平台、关键器件和应用技术,先后牵头国家科技部重点研发青年项目、科技委173计划项目,也作为合作单位参与其他单位牵头的国家重点研发项目,这些前期基础为我们今后发展量子科技打下了坚实基础。事实上,我们团队正在和美国费米实验室的研究人员同台竞技,目前我们在关键子系统,也就是城域量子隐形传态系统的性能上,同比处于领先。

问:一个地区发展量子科技可以做些什么?有何建议?

一个地区科技发展的关键在于人才的培养和引进,所以发展量子科技的首要任务是要立足自身、自立自强,依托有基础的高校和科研院所,差异化打造量子科技实验室,为量子科技人才的成长和培养提供平台。在此前提下,坚持培养一大批拥有理论和实践能力的量子科技人才;坚持一手抓科技发展,一手抓经济发展,量子科技人才培养的成效要通过各类市场的反响来评价,要将量子科技人才培养与相关产业的未来发展相统一,要把人才培养好,还要把人才的作用发挥好;要坚持资源的精准投放,做好资源的合理利用,建设好利于人才发展的学术生态,避免盲目投放。目前,在世界范围内,以量子科技为导向的量子互联网研究工作正处于需要大量持续投入的攻关阶段,应该立足自身禀赋,在优势方向上进行持续投入。对在量子科技的部分重要方向上积累了优势力量的单位,应该予以继续支持;坚持开放的态度,放眼国际、广交朋友,引进和培育一批新兴量子科技企业,发挥地区在信息技术方面的长处,打造有特色的量子产业生态。



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1 彭真明

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