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          潘建伟:手握量子“密钥”的人

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            在量子领域的群山里

            真正的珠穆朗玛峰是量子计算机

            潘建伟:手握量子密钥的人

            中国新闻周刊记者/彭丹妮

            发于2019.12.16总第928期《中国新闻周刊》

            物理学家给人们的刻板印象,就像《生活大爆炸》里谢尔顿那样——不善言辞,甚至有轻度社交障碍。然而,潘建伟善于沟通。无论面对记者还是成百上千的普通听众,他都能侃侃而谈,不时用通俗易懂的例子解释晦涩的量子物理。

            在谈到什么是量子态隐形传输时,他将一对纠缠粒子比作夫妻,第三个粒子的介入就像是插足的第三者,会和夫妻中的一方结合成新的夫妻。与此同时,“第三者”携带的单身信息就传递到那个不幸变成“单身汉”的那个粒子上。

            很多人也注意到了他的这种特质。《华盛顿邮报》就这样描述他的演讲风格:在2019年7月于上海举办的一场学术论坛上,潘建伟用科学痴人爱因斯坦与“星际迷航”的笑话来辅助幻灯片演示;在谈到“薛定谔的猫”这个量子物理中的经典思想实验时,潘则运用站立又平躺的卡通猫图片来解释量子叠加的概念。

            这样健谈的风格,或许是这位物理学家能够为其艰深的科学研究找到更多支持的一个砝码。“潘建伟是热情的乐观主义者,同时,他有说服投资者的天赋。”《自然》杂志这样评价他。

            尽管潘建伟不是中国最早开始量子领域研究的人,但在最近几年,他成了国内这一领域旗帜性的人物,在一些媒体报道中,甚至被冠以“中国量子之父”的称号。这位中国科学技术大学常务副校长、中科院院士与物理学家是眼下中国最当红的科学明星:2017年,潘建伟被《自然》杂志评为年度十大科学人物;2018年,入榜美国《时代》周刊年度最具影响力人物;同年冬天,他与诺贝尔奖得主屠呦呦等人一起,入选中国100位改革开放先锋人物。

            明星科学家之路

            2017年9月29日,在北京海淀区西北旺地区一处写字楼里面,奥利地首都维也纳和北京这两个相隔半个地球的城市之间举行了一场不寻常的视频连线。这次通话的信号路线,先通过“京沪干线”北京控制中心与“墨子号”卫星兴隆地面站的连接,然后通过“墨子号”卫星与奥地利地面站接通。

            此次视频依然使用传统通信,特殊之处在于采用量子密钥对信息进行加密,使其成为世界上首个跨洲际的量子保密视频通信。在中国领先的前沿科技中,量子通信是浓墨重彩的一笔,而潘建伟和他领导的团队,则是促成这一优势的核心因素。

            1996年,在中科大近代物理系完成本科与硕士阶段学习的潘建伟,进入奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位,师从安东·塞林格。彼时,他并不知道塞林格正领衔着一个量子信息研究大型项目——在中国,当时一个科研项目的经费常常只有五万、十万元人民币,而这个项目却是一百多万欧元级别的。

            在世界级实验室,潘建伟一边在一线参与实验,同时也在琢磨将来应该往什么方向发展。那时候,他就已经开始留心所学所做,打算未来将这一新兴技术带回中国。

            潘建伟在因斯布鲁克大学就读期间,量子计算机最早的开拓者之一彼得· 佐勒是该校的教授。他告诉《中国新闻周刊》,潘参与了量子通信早期的实验,并奠定了他在领域中的地位。但将潘建伟与其他学生区分开来的,则是一种能够看清下一步并着手计划的“远见”。

            彼得· 佐勒认为,如果他的学生、清华量子信息中心执行主任段路明是那种深耕某一个方向、不太擅长表达也不愿意被其他事物分心的科学家,那么潘建伟则是另一种类型:他不一定亲自去拨弄实验器材,但是他能站在后方运筹帷幄。段路明比潘建伟小三岁,潘建伟从因斯布鲁克大学博士毕业那年,段路明赴该校理论物理研究所从事博士后研究。

            中国对量子物理的研究,最早可追溯至1970年代,那时候的研究还比较零散,不成气候。1980年代,中科大的郭光灿与山西大学的彭堃墀等一批先行者们,开始系统性地涉足量子物理。二人后来同在2003年当选为中科院院士。先于潘建伟十多年之前,1995年,中科院物理所研究员吴令安实现了国内第一个自由空间量子密钥分发演示实验。2001年,在郭光灿的多方努力下,他终于申请到了第一个国家科技部“973”项目“量子通信与量子信息技术”。就在这一年,从德国回到中国科大的潘建伟,也在郭的项目中担任相关课题的负责人,并开始着手建立自己的实验室。

            “潘的专长主要是光子以及量子储存器,但是他会想到,如果要在国际竞争中有一席之地,还需要哪些拼图,并有眼光选择未来能够带领各个板块的年轻人。”彼得· 佐勒说。如今,“潘建伟的研究团队几乎覆盖了量子信息科学的所有领域,包括冷原子、精密测量、超导量子计算和量子传感器等等。”彼得· 佐勒说,“这就像打好了一个宽的地基,以后才能在上面盖高塔,而不是手里只拿着一块砖。”

            潘建伟通过送学生去国际一流机构深造来培养团队。在美国斯坦福、英国剑桥、牛津等顶尖大学的相关实验室,都有他派出去合作研究的学生。“我跟学生们说,咱们做一个约定:大家把几个技术全学会,然后在适当的时候一起回国,合起来做一点别的团队做不了的事情。”潘建伟说。

            潘的团队从2003年开始做量子卫星的实验:系列地面实验证明,通过卫星进行保密通信是可行的。在潘建伟的领导下,2016年8月,量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射升空,是全球首颗量子卫星;2017年9月,长度超过2000千米、由32个中继站组成的世界上第一条长距离量子安全通信线路“京沪干线”投入使用。

            在潘建伟团队实施这些项目之前,国际上已经开展了多个量子密钥分发传输的实验。1993年,英国国防部在10公里的光纤中实现了相位编码量子密钥分发;1999年,美国洛斯· 阿拉莫斯国家实验室实现了500米的量子密码自由空间传输;2002年,瑞士实现了67公里的量子密钥分发实验;2004年,世界上第一个量子密码通信网络在美国马萨诸塞州剑桥城正式投入运行,网络传输距离约为10公里。

            2018年,沃尔夫物理学奖颁给了量子通信领域的两位科学家本内特与布拉萨德,他俩既是量子密钥分发方案的提出者,也是量子隐形传态的最早提出者。在潘建伟提供给《中国新闻周刊》的一份资料中写道:“今年在介绍沃尔夫物理学奖获得者的网页上专门提到,量子密钥分发已经成功实现商业化,在光纤中已经能做到几百公里,用卫星可以做到上千公里。需要指出的是,这两个纪录都是我国科学家创造的……这是中国科学家的贡献,也是中国量子通信领先世界的标志。”换句话说,中国人虽然没有做出量子密钥分发的基础理论原始创新,但在应用实践中走在了世界前面。

            “大时代”

            1984年,只是中国科大物理系一名普通讲师的郭光灿,还在为区区2000多元的办会经费而奔波。他向学校争取到经费后,在安徽省滁州市琅琊山琅琊寺召开了全国第一届量子光学学术会议,邀请到了50多人参会。而郭所从事的量子科研,当时一度因被质疑为伪科学,申请科研项目时屡屡碰壁。

            时光流转,到了2001年,当潘建伟回国组建自己的实验室时,他透露“中科院与基金委给了690万的资金支持,这在当时是笔巨款。”这笔钱是他的团队开展一些小规模前瞻性研究的基础。

            在2018年10月末的一场量子技术国际研讨会上,法国科学院院士阿兰·阿斯佩表示,中国同行能走到世界前茅,一方面得益于有非常好的想法,一方面得益于他们能够申请到足够的经费去实现这个想法、达到现在这种规模,这也是中国经济高速发展的结果。

            多位从事量子通信领域研究的外国学者都提到,过去,因成本考虑,欧洲和美国都不愿意投资量子卫星。俄罗斯量子中心专门研究量子加密攻防的科学家Vadim Makarov在接受《中国新闻周刊》采访时就表示,“我们没办法说服一些欧洲国家与美国政府对这个领域给予足够的投资,而中国做到了。”

            “如果没有国家强大的经费支持,就没有办法做那些实验,只能光在纸上谈兵了。”华南师范大学信息光电子科技学院教授张智明近来接受媒体采访时表示,在量子科学等基础研究方面,国家经费支持强度很大,普通项目也都能申请到七八十万,而一些受重视的大团队,要人有人、要钱有钱,“有些项目的经费多达数千万、上亿元”。

            在多个公开场合,潘建伟都提到这种国家支持的意义。“我们正处在一个大时代,更好的说法是新时代,这得益于国家经济的发展,让我们能够做一些让国外的同事也羡慕的事情。”在2017年的未来科学大奖颁奖典礼上,潘建伟如是说。

            据大连理工大学一支研究团队今年3月发布的《中国研发经费报告(2018)》,2009~2016年,中国政府研发经费支出从1358亿元增长至约3141亿元,平均年增长率为13%;2017年中国全社会研发经费投入已达1.76万亿元,仅次于美国。

            更多资金正在向量子技术领域涌入,拥有全国政协委员身份的潘建伟在其中扮演重要角色。2017年7月,作为量子信息科学国家实验室的先行探索,中国科学院量子信息与量子科技创新研究院揭牌,潘建伟担任院长,安徽省、合肥市首期联合安排了10亿元专项科研资金进行前期配套,安徽省也成立了远期规模可达100亿元的量子技术发展基金支持科技成果转化。2017年年底,合肥量子信息科学国家实验室全面开工,总投资约70亿元。

            量子保密通信是什么

            上海交通大学电子工程系教授曾贵华向《中国新闻周刊》介绍,量子技术广义上包括量子物理与量子信息技术两大板块。在量子信息技术中,主流的细分领域主要包括四大部分:量子通信、量子计算机、包括量子成像与量子陀螺在内的量子精密测量,以及该领域通用的一些支撑性材料或器件。

            潘建伟告诉《中国新闻周刊》,量子通信主要包括量子密钥分发和量子隐形传态。他此前也曾表示,国际上把量子隐形传态、量子纠缠交换和量子密钥分发等几种技术统称为量子通信。量子通信并非狭义化的概念,是指用量子态来传递信息,所传递的信息可以是经典信息,也可以是量子信息。

            不过,中科大量子信息重点实验室主任、中科院院士郭光灿在其《量子十问之五:量子密码是量子通信吗?》一文中指出,真正的“量子通信”有其确切的内涵,即将信息编码在量子比特上,在量子通道上将量子比特从甲方传给乙方,直接实现信息的传递。这种真正的“量子通信”目前仍处于基础研究阶段,离实际应用还相当遥远。

            曾贵华介绍说,通信追求有效性、可靠性与可信性。其中,可信性关注传输过程的安全与否,通常采用密码技术实现,涉及加解密算法与安全密钥两个主要部分。尽管也有学者在研究量子加解密算法,但这种思路的进展比较慢,而量子密钥分发技术则在工程上取得了更快进展。不论是“京沪干线”,还是“墨子号”量子卫星,它们的实用价值,主要在于量子密钥分发。清华大学物理系教授王向斌指出,量子密钥分发是最先走向实用的量子信息技术。

            “如果从有效性、可靠性与可信性三个维度来衡量通信系统的话,有人把量子保密通信,或者更准确地说,量子密钥分发技术,认为是量子通信也有一定的道理,但是它并非一种直接的关系。量子保密通信只是量子通信中的一个核心技术、一个支撑,或者说一部分。”曾贵华强调说。

            郭光灿说得更为直白:所谓“通信”简单地说就是传递信息。量子密码只是传送经典随机数而已,不包含有任何信息内容,因此,与“通信”无关。现在媒体、学术界所说的“量子通信”是某些人概念不清的误导,其实只是量子密码或者量子保密通信。

            量子密钥一直以其安全性名声在外。潘建伟曾解释,量子保密通信技术通过量子密钥分发在两地间共享量子密钥,所共享的量子密钥用于加解密所要传输的信息,可实现两地间信息的高安全保密传输,远超现有通信技术所能提供的安全性。学界将这种安全性称之为 “无条件安全”或者“绝对安全”,它指的是有严格数学证明的信息安全性。

            俄罗斯量子中心的科学家Vadim Makarov在接受《中国新闻周刊》采访时解释说,量子加密从原理上是无法攻击的,但是协调系统里的一些零部件,则可能留下人为漏洞。王向斌也解释说,这与加密本身无关。就好比给门上了锁,没有钥匙无法打开,但无法预测的是,有人用锤子将锁敲掉的情况。

            这种操作的不完美,具体来说有两类:对光源及探测器的攻击。不过,王向斌等人今年3月份撰文指出,对于这两种可能的安全隐患,学界均已经研究出应对方案,他们声称,“量子保密通信的现实安全性正在逼近理想系统。”

            以传统通信中的光纤作为传送介质,超过 500公里后,光量子就会因为吸收变得非常稀少,信号衰减卡住了远距离密钥分发的咽喉。潘建伟曾解释,由于量子的信息携带者光子在光纤信道上传播100公里之后,大约只有1%的信号可到达最后的接收站,所以光纤量子通信达到百公里量级就很难再突破。但光子穿透整个大气层后却可以保留80%左右。

            “更远的传输距离,比如说1000公里或者2000公里,肯定要用量子中继。这方面虽然基础研究做了很多,也发表了很多高水平文章,但是设备做不出来。”曾贵华说。“京沪干线”目前采用的是可信中继在途中来增强信号。所谓可信中继,简单地说就是按传统的方式储存数据。郭光灿对此指出,可信中继依赖人的因素,所以并不安全。不过,潘建伟认为,采用可信中继只需保证中继点安全性即可,这已是巨大的进步。

            潘建伟指出,在完美的量子中继出现之前,卫星是实现远程量子通信的一个很好的解决方案,能实现几千公里之间的量子密钥分发。在中科院的官方报道中,“京沪干线”可满足上万用户的密钥分发业务需求,而“墨子号”与“京沪干线”天地链路的结合,意味着中国成功实现了洲际量子保密通信。

            然而,郭光灿在接受《中国新闻周刊》采访中指出,这些成果的宣传效果大于实际意义。他指出,量子卫星是一个演示性装置,不可能实现实际应用。一方面,一次一密要求一秒钟所发密钥数量与要传递信息的比特数目相同,而从卫星扫向地面一次只有5分钟,这个时间长度无法做到一次一密所要求的高密度成码率;另一方面,遇到雾霾、雨天等天气状况时,光子在大气中衰减,星地便无法连通,此时使用预先储存的密码,也做不到一次一密。所谓一次一密,即密码长度与明文(所传递信息)长度一样长,且用过后不再重复使用,这能保证密文绝对无法破译。

            曾贵华也认为,卫星的方法有一些弊端,比如说卫星扫描合肥时,可能一两分钟就结束了,通信必须掐准这个时间。此外,光的传输受阳光制约,目前“墨子号”只能在夜晚“上岗”;还有一个更实际的考量是,发射卫星的成本太高,商用难以推广。

            对此,潘建伟解释说,“墨子号”实现的100千比特/秒(kbps)的量子密码成码率,就是指即使按照最高等级的一次一密,也能达到100kbps的加密通信速率,包括电话、传真、文件传输需求都能满足,视频传送可能比较慢。目前“墨子号”是会受恶劣天气状况的影响,团队目前已有克服的方案,例如利用无人机跨越云层等,在将来会进一步实现。

            2016年,曾有媒体报道称,2019年前后,量子通信就将服务于消费者的网上转款和支付。但如今,量子加密通信的产业化似乎并不顺遂,它尚未走入普通人的生活。潘建伟向《中国新闻周刊》表达了他的预测:“我觉得五年肯定有规模化的应用了,十年可能在一些非常重要的部门有较大规模的应用,十五年至二十年后,可能我们(普通人)能够用得上。”

            曾贵华补充说,量子密钥技术本身来说是比较成熟的,但在商业应用方面,还要考虑其他一些问题,比如性价比。一个量子密钥比特的成本要比经典通信高,所以下一步需要考虑如何降低量子密码设备的价格,提高性价比。

            “量子”竞争

            据《纽约时报》2018年底报道,受中国近来量子研究取得的进展所震动,美国正在努力追赶。南加州初创企业Qubitekk正在使用量子加密技术来保护田纳西州的电网;另一家美国公司Quantum Xchange正在曼哈顿和纽瓦克之间建设量子加密网络,并计划把在这两个城市运营的大型银行连接起来,且希望这个通信网可以延伸至美国整个东海岸 。

            “2017年‘京沪干线’开通之后,中间有一段时间其他国家(的量子保密通信研究)是空档期,处于一个震惊、或者说思考阶段。那么从去年开始就不一样了。”潘建伟告诉《中国新闻周刊》,从2018年开始,如梦初醒的美国开始建类似“京沪干线”的网络;在欧洲,同样的计划也纳入了德国、意大利、英国等国家的待建清单。2019年6月下旬,7个欧盟国家签署宣言,宣布要在接下来的12个月里共同探索如何在未来十年里贯通整个欧盟地区的量子加密通信基础设施,包括路面与卫星两个系统。

            眼下,潘建伟正在积极推进国家层面的量子信息科技布局。在多个公开场合,包括在2018年全国两会上,他都在呼吁:尽快实质性地启动国家实验室建设以及相关领域的科技创新2030项目。“科技创新2030项目”由国家科技部牵头启动,共有16个项目,其中包括量子通信与量子计算机。

            “在重大项目的支持之下,经费和组织有保证,才能把事情做好,”潘建伟说,量子保密通信目前的应用还停留在“大哥大”的水平,看起来又笨重又昂贵。因此,在这方面,要继续做应用基础研究,提高速率和距离,然后降低成本、工程上做到小型化,在这些基础上探索量子保密通信的商业化应用。

            “量子保密通信现在基本上已经与科学没有什么关系了。现在主要的问题是,如何将它转换为一个成熟的商业模式推向市场。比如说,如何合理地定价、是给客户销售加密服务还是密钥这类商业问题。”Vadim Makarov说。

            “在量子科技中,从原理上来说量子保密通信是比较容易实现的,这也解释了为何量子密钥技术最先走向市场,当然,量子中继器是远距离量子保密通信现在难以逾越的瓶颈;但另一条平行线上,研发量子计算机是一个难度大得多的游戏。”彼得· 佐勒说。

            2016年12月,英国政府科学办公室发布的《量子时代:技术机会》报告认为,人类正处在第二次量子革命的前夜,并将原子钟、量子成像、量子传感器和测量、量子计算和模拟以及量子通信作为五大重点研发领域。

            彼得· 佐勒说,如果你远眺量子科技里的群山,这里面只有一座珠穆朗玛峰,那便是量子计算机。量子通信,自然是其中一座,但是要容易攀爬得多。

            在量子信息技术中,多位业内人士认为,量子精密测量是最接近产业化与实用化的,通过量子态对外界进行测量的方法,在精度上突破了经典力学的散粒噪声极限。潘建伟也指出,不同于功能单一的量子通信与量子计算,量子精密测量的用途很广,包括时间、长度、温度等尺度,他预计接下来的5到15年间,各式各样的应用会陆续推出。

            在该领域,中国也扮演重要角色。2019年8月,中科大郭光灿团队与南京大学合作,优化了量子弱测量的测量方法,把单光子克尔效应测量精度再次提升接近一个量级,实验结果首次逼近了最优海森堡极限——量子力学理论范畴内所能达到的最高精度;9月,中科大杜教授杜江峰团队运用量子技术,首次在室温水溶液环境中探测到单个DNA分子的磁共振谱。不过,潘建伟认为,量子精密测量,也是中国跟国际上差距最大的地方。

            “在陆地与卫星通信线路的长度来看,潘建伟带领的中国量子加密网路无疑是世界领先的,可能要比美国领先10年;但是在量子计算机的发展上,中美的情况则恰恰相反。”美国路易斯安那州立大学理论物理学教授乔纳森·道林说。

            在IBM、谷歌与微软等大企业的投资下,美国的量子计算机研发在全球领先。据市场研究机构Patinformatics数据,2018年,中国在量子科技领域申请的专利数量为492项,差不多是美国的两倍,居于世界领先;但是从细分领域来看,美国的量子计算机专利数量为193,中国仅为63。

            2019年10月23日,谷歌宣布其实现了“量子霸权”:谷歌在当天发表的论文中表示,已经开发了一款54量子比特数的量子芯片Sycamore,在执行一个随机数字采样的任务上超越了经典计算机。不过,质疑的声音认为,它执行的计算任务没有已知用途,不足以证明其通用性。所谓量子霸权,是指量子计算设备可以超越经典计算机,解决后者无法完成的计算任务。

            彼得·佐勒说,今天,实验室中已经有了20或50量子比特数的小型量子计算机,但如果要这些设备真正可实用,需要的是突破量子容错纠错难题。“在接下来的五年到十年,我们可能会看到几百量子比特数的量子计算机冒出来,有些有部分纠错能力,有些没有。但最终大规模、高速度的量子计算机,我猜可能需要上万、甚至上百万量子比特,以及强大的容错能力。”

            量子计算的物理实现方案不止一种,对于目前该领域的竞争态势,彼得· 佐勒认为,人们用不同的方法在这个游戏中竞争,就好像选择不同的攀登路线,但现在攀登者们的位置,却都还在山脚。

            量子科技俨然成为当下国际竞争中的必争之地,引来各国大手笔下注。2018年6月,美国众议院科学委员会一致通过了《国家量子行动法案》,2019~2023年,美国将在量子研究方面投入12.75亿美元;2018年10月,欧盟宣布《量子旗舰计划》将在未来十年间在量子传感器、量子通信与量子计算机领域投入10亿欧元。

            比特·佐勒惊讶于这么充裕的资金进入量子科技领域。25年前,当彼得·佐勒等一批量子计算机领域的先锋们提出这个想法时,他们面对的几乎都是质疑声,一位诺贝尔奖得主曾经“泼冷水”说,“量子计算两年后就会被遗忘”。

            如今,彼得· 佐勒感受到的另一种截然相反的态度:人人都在谈论量子。越来越多的公司和资本进入这个领域,做出各种各样的承诺,“但是到了某个节点,人们会问,你们许诺的东西真正实现了多少?”

            “我们有理由对量子科技的未来保持热情,但不要过分炒作。”彼得· 佐勒说,过分炒作意味着过高的期望值,而不切实际的期待往往意味着失望的情绪,最终受伤的是科学家们。“我敢说当人们期待落空,量子领域将会进入寒冬。”

            《中国新闻周刊》2019年第46期

            声明:刊用《中国新闻周刊》稿件务经书面授权

          【编辑:陈海峰】
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