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【前沿】郭光灿院士谈量子信息技术：突破经典 开创新产业
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［科学时报 王静报道］量子特性在信息领域有着独特的功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限，于是量子力学与信息科学相结合便诞生了一门新的学科分支——量子信息科学。 近年来，量子信息在理论和实验上已经取得重要突破，引起各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。我国科学家在这一领域取得突飞猛进的发展，不仅掌握了量子通信的核心技术，而且成功实现了商业应用，展现了量子通信技术广阔的市场应用前景。近日，中国科学院院士、中国科技大学教授郭光灿就此话题接受了记者专访。 量子密码源于一个青年科学家的奇思妙想 据郭光灿介绍，上世纪70年代，美国社会伪钞现象十分猖獗，为了防范伪钞，哥伦比亚大学一位年轻学者提出了量子货币的概念。根据他的理论，量子货币无法复制，一旦被复制就会损坏。不久，他把自己的想法写成论文投向一家专业性杂志。杂志编辑认为其想法无异于天方夜谭，作了退稿处理。 大约在上世纪80年代初，美国密码专家彼尼特和一位加拿大密码学家对这位年轻人的设想进行了一番研究，发现由此可以建立量子密码，随后BB84量子密钥方案问世。这也就是目前国际上使用最多的一种量子密钥方案。他们的研究结果在实验上得到了证明。 量子通信从实验室走向光纤网络 “BB84量子密钥方案在理论和实验上都被证明是绝对安全的技术，但这种方案在从实验室装置应用到光纤网络的过程中，遇到了一个极大的难题——不稳定。各种因素都可能破坏它的稳定性，使传输码常常变成乱码。”郭光灿说。 为了解决稳定性问题，曾有科学家建立了一套方案：让一个光子朝一个方向发送，两端建立密钥。瑞士科学家用这种方法在日内瓦湖底商用光纤上建立了世界上第一个真实的密钥。但后来人们发现，这种方法虽然稳定，但不安全。如果用一个光子跟踪信号光子，再把这个光子收回来，即可窃取所有信息，而且这个光子很难被发现。 郭光灿课题组通过几年努力，发明了一套新方案，可保证单向光子的稳定性和安全性，并且已获得国际专利。 课题组使用这一方案，在2005年租用的一条从北京到天津125公里的光纤上试用，结果非常令人满意。由此，他们成功地在北京和天津之间建立了世界上最长距离的商用密钥，使量子密码技术从实验室走向了光纤网络。 然而，光纤传输能否做到真正的保密通信？郭光灿表示，还必须解决3个问题：光纤上实现任何两点之间的保密通信；任何两个用户保密通信不会互相干扰；一个领导机关给下属同时多点保密通信，即可否群发保密。只有同时实现这3种功能，才能真正实现网络保密通信。 他进一步解释说，解决这个问题遇到了一个关键难点：路由器问题。 一般而言，路由器可以识别一个信号，并让这个信号根据需要传送给任意一个对象。可量子的特殊性质是，只要去识别，原有的信号就会被破坏。为了解决这一问题，郭光灿实验室发明了一种叫“量子路由器”的装置。这种装置依靠一种波长做标识，使不同的光子到达不同的地点，成功解决了网络路由的问题。目前，这项技术获得了美国专利。 利用这两项技术，郭光灿课题组于2007年在北京商用光圈里建立了城域网的通信，成功演示了量子保密通信网络。 后摩尔时代的新经济生长点 因为安全性得到了保证，量子密码被认为是改变人类未来的新技术，近年来世界各国都投入了大量研究经费发展量子信息科学，取得了许多重要成果。 郭光灿表示：“量子密码保密通信技术已到了实际应用的阶段，其基本原理基本上都得到了解决。凡需要保密的，量子密钥就能提供保密手段。从网上聊天到公文保密，抑或银行汇款，都可以使用量子密钥，应用范围极其广泛，因而‘钱’途无量。” 黑客对量子密钥束手无策。虽然黑客能偷听，但很容易被发现。因为量子密钥交流的双方以随机协议为基础，且协议只有交流双方拥有，传递信息时，内容完全无序化。若获取，必须通过密钥反变换，才能恢复成有序数据。而这个密钥限于交流双方，其他人无法得到。 据郭光灿介绍，他的一个博士生已设立“问天量子”公司，试图实现量子密钥商业化应用。2009年5月，郭光灿课题组在安徽省芜湖市成功建立了量子政务网，在产业化方向上实现了重大突破。 郭光灿说：“这个政务网在原来光纤通讯基础上再加上量子技术即可，无须改造网络的全线路和装置，与光纤网络兼容。这种网络保密通信，既可实现语音的保密通信，文本和图像的保密通信，还可实现视频会议的保密通信。因此，可实现光纤网络目前所有功能的保密通信。” 量子计算机具有无与伦比的威力 据了解，量子信息技术包括两方面，量子通信和量子计算机。量子计算机目前还处在基础研究阶段，未能实际应用。 郭光灿介绍说，在理论上，量子计算机具有现在电子计算机所无法比拟的功能。其最大的优点是利用量子性质作并行处理，即单个CPU就可进行并行处理，并行处理的能力随着处理器的指数上升，一台量子计算机的功能相当于许多台电子计算机功能的综合，可能还会超过其速度。因此，许多电子计算机不能解决的难题，量子计算机能很快解决。 然而，量子计算机研制成功的难度很大，目前尚未有显著进展，最主要的瓶颈问题是量子计算机的硬件——量子芯片尚未制造成功。据介绍，量子计算机的基本单元叫量子处理器，量子处理器是一个量子系统，需要成千上万的量子比特构成一个量子芯片，比量子通信复杂得多。 郭光灿说：“人类还不知道如何操控微观世界。在经典世界，人类的操控能力很强，可以发射机器人到火星上采集样品，进行分析，并把分析结果的信号传回地球。但是人类对微观世界的操控能力远未达到这样的水平，这是极大的挑战。” “此外还有一个特殊困难。量子的最大优点就是其相干性非常好，所有的特点都由量子相干性引导而致，包括量子保密通信的不可破译、不可窃听等。量子计算机的并行处理能力也由其量子性决定。如果量子性被破坏，机器的优点也会消失，这叫消相干。这是一个非常严重的问题。如果把一个量子计算机制造出来，如何保持其相干性？这是科学家面临的巨大挑战。”郭光灿表示。 尽管量子计算机的制造难度巨大，但郭光灿对其成功仍有信心。“量子计算机虽然目前无法研制成功，但人们可以考虑制造一个过渡期的产品，如量子仿真机，也就是模拟机。”郭光灿说。 郭光灿带领的课题组设立了一个近期目标，即把量子仿真机或者是模拟机研制出来，建立一个平台，解决现在科学上的一些难题，如模拟超导机理等。 这应该是通向量子计算机的一个台阶，也是量子信息的发展趋势。 |
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