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自主研发:不可思议的“量子梦”渐入现实

作者:时间:2016-01-13来源:经济日报收藏
编者按:从微观世界判定薛定谔的猫是既死又活,到相隔千里的粒子可以瞬间相互影响……量子力学的研究结果往往是颠覆性的,因为它们总与人们的习惯思维背道而驰,量子科学究竟会带来哪些神奇的应用?量子通信?量子计算?

  2015年度的国家自然科学一等奖,颁发给了由潘建伟、彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵组成的中国科学技术大学多光子纠缠及干涉度量研究团队——他们凭借在多光子纠缠及干涉度量上的重要研究和发现,取得了、量子计算等领域的系统性关键突破。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201601/285703.htm

  对这个在量子科学研究前沿中屹立于世界领先位置的团队来说,他们的获奖实至名归。

  潘建伟如何带领他的团队突破量子信息研究的重重难关?

  不可思议的量子信息科学

  1935年,爱因斯坦指出,量子纠缠所体现的量子力学非定域性与作为经典物理学基本观念的定域实在论之间存在根本矛盾。定域实在论认为,处于类空间隔的两个事件相互不会产生任何影响,然而量子力学非定域性预言,处于量子纠缠的两个粒子,无论相距多么遥远,对其中一个粒子的测量会瞬间改变另一个粒子的量子状态,爱因斯坦把这一现象称为“遥远地点之间的诡异互动”。

  “所谓的诡异互动就是理论上说的‘纠缠’,好比两人相处两地,各执一枚骰子,当这两枚骰子处于纠缠态时,两人将骰子抛出,最后两边得出的结果将完全一样。”潘建伟用形象的比喻向记者说明量子纠缠的基本原理。

  在网络信息安全方面,克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今唯一被严格证明是无条件安全的通信方式,可以从根本上解决国防、金融、政务、能源、商业等领域的信息安全问题。

  求解一个亿亿亿变量的线性方程组,利用目前世界上最快的天河二号超级计算机需要100年,而利用计算频率还低一万倍的THz量子计算机,只需0.01秒。量子计算将带来现有计算能力的质的飞跃,为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案;并可通过其强大的模拟能力,揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制,为先进材料制造和新能源开发奠定科学基础。

  量子精密测量可实现对重力、时间、位置等的超高灵敏度测量,大幅提升卫星导航、潜艇定位、医学检测、引力波探测等的准确性和精度。比如,一条潜艇,使用目前最好的经典加速度计来自主导航,航行100天后误差达到200公里,就不得不需借助卫星修正位置,但这也意味着暴露行踪的可能;如果利用量子导航仪(原子加速度计)进行测量,航行100天后的位置测量误差小于1公里,潜艇可以不需要借助卫星导航,进行长期潜伏。

  前赴后继的科研工作者们在量子力学逾百年的研究基础上,逐渐掌握了对量子状态进行主动调控的能力,从而开辟出量子信息科技——包括、量子计算和量子精密测量等,可以突破经典技术的极限,满足信息和物质科学技术的革新诉求。


自主研发:不可思议的“量子梦”渐入现实


  图①实验室内,陈宇翱向记者介绍基于超冷原子光晶格的量子模拟。图②以潘建伟为核心的量子信息研究团队。图③超导量子芯片。

  图④中科大博士生正在量子物理与量子信息实验室中做实验。

  近20年来,量子调控与量子信息领域共产生了10余名诺贝尔物理学奖和沃尔夫物理学奖获得者,量子信息科学已然成为当代物理学最活跃的研究前沿之一。

  硕果累累的量子领域突破

  1970年出生的潘建伟是一名“海归”。在中国科大读完本硕后,他去奥地利攻读博士学位,学习当时国际上最先进的量子物理实验技术。2001年他学成回到母校,组建了量子物理和量子信息实验室。

  那时,多粒子纠缠操纵存在巨大的实验挑战,国际上仍处于对单量子粒子体系和两粒子纠缠的研究水平,多粒子纠缠的实验制备和操纵几乎空白。

  “长期以来,我国基础科技研发大多是对国外成果的模仿与跟踪,而我们决心让中国量子信息技术做到全世界最好”。潘建伟说。

  他领导的项目组发展了一系列关键技术,2003年在国际上首次实现了多体纠缠性质被严格验证的四光子纠缠态,之后又通过验证GHZ定理以最强烈的方式揭示出量子力学与定域实在论之间的矛盾。

  此后,团队先后于2004年、2007年和2012年在国际上首次实现了五光子、六光子及八光子的纠缠,在多光子纠缠操纵实验研究上不断刷新世界纪录,并始终保持着国际领先地位。

  多光子纠缠操纵是量子信息处理的基础,基础的突破自然会带来应用的突破。正如2012年诺贝尔物理学奖获得者瓦恩兰指出,“纠缠粒子数越多,量子力学非定域性越强烈,对量子信息处理也越有用”。

  在量子通信方面,2007年,项目组利用诱骗态方法,克服了现实条件下光源不完美带来的安全隐患,在国际上首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发,从而开启了量子通信技术实用化的大门。

  随着国际上首个全通型量子通信网络、首个规模化城域量子通信网络相继于2008年和2012年建成,中国量子通信技术已逐步走向实用化。潘建伟团队利用自主研制的量子通信装备,为60周年国庆阅兵、党的十八大、抗战胜利70周年阅兵等国家重要政治活动提供了信息安全保障。

  “这标志着中国在量子通信领域的崛起,从10年前不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美……”英国《自然》杂志曾如此称赞道。

  恰似“星际迷航”般的量子隐形传态则更显神奇。利用量子纠缠,量子隐形传态可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点。


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关键词: 量子通信

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