郭光燦：實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)與量子通信為時(shí)尚早

　　■郭光燦

　　量子力學(xué)誕生了一百多年，這是人類(lèi)最成功的理論。因?yàn)橛辛孔恿W(xué)的誕生，我們才可能有激光、有半導(dǎo)體以及更多先進(jìn)技術(shù)。實(shí)際上，量子力學(xué)已經(jīng)在人類(lèi)生活中發(fā)揮著重要作用。

　　但是，以前由量子原理產(chǎn)生的器件，包括激光、半導(dǎo)體都是經(jīng)典器件，而量子信息技術(shù)是直接利用量子的性質(zhì)研制出的量子器件，而不是經(jīng)典器件。這個(gè)量子器件的功能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越經(jīng)典器件的物理極限，這就是量子信息技術(shù)帶來(lái)的新時(shí)代的新技術(shù)。

　　實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)與量子通信為時(shí)尚早

　　量子力學(xué)的基本性質(zhì)主要包含了三個(gè)方面：首先，量子力學(xué)是疊加狀態(tài)，所以從信息本身開(kāi)始就是量子化的;其次，量子具有非局域性，而體現(xiàn)了非局域性的糾纏態(tài)是量子信息里非常重要的應(yīng)用;最后，量子具有不可克隆性。

　　量子計(jì)算機(jī)性能與電子計(jì)算機(jī)性能的對(duì)比，猶如電子計(jì)算機(jī)與算盤(pán)計(jì)算能力的對(duì)比。由于量子概率不確定性的特點(diǎn)，使計(jì)算機(jī)有望突破非0即1的二元限制，使計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、計(jì)算能力等擴(kuò)增，從而使IT、通信領(lǐng)域的軟、硬件獲得革命性進(jìn)展。

　　量子計(jì)算機(jī)實(shí)際上跟電子計(jì)算機(jī)一樣，都是要解函數(shù)，不同的是量子計(jì)算機(jī)的處理操作用的是量子芯片。電子計(jì)算機(jī)用電子芯片去串行運(yùn)算，用量子芯片替代它就會(huì)并行運(yùn)算，所以量子計(jì)算機(jī)的速度就是在量子性，即疊加性導(dǎo)致的并行運(yùn)算能力，相應(yīng)的軟件、編程也都做出相應(yīng)的變化。

　　對(duì)于量子計(jì)算機(jī)，國(guó)際和中國(guó)科技界做了不懈努力。2002年國(guó)際上就開(kāi)始研究，現(xiàn)在已經(jīng)做成了一個(gè)芯片的兩個(gè)量子比特。雖然中國(guó)量子技術(shù)研究起步較晚，但近幾年發(fā)展卻非常迅速，在國(guó)際上有一定地位，目前中國(guó)已經(jīng)做到了三個(gè)量子比特，四個(gè)比特也正在做。

　　與此同時(shí)，中國(guó)的量子儲(chǔ)存器各種性能，如保真度，還有儲(chǔ)存模式等，很多指標(biāo)上都在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。“十三五”期間，量子通信也被劃定為未來(lái)5年國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略項(xiàng)目。

　　量子通信從學(xué)術(shù)上說(shuō)是通過(guò)量子網(wǎng)絡(luò)把量子信息傳遞過(guò)去。如果有兩個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)，我們就可以構(gòu)成聯(lián)網(wǎng)，把所有的網(wǎng)絡(luò)全連起來(lái)，就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)量子云計(jì)算，這種功能將會(huì)比我們現(xiàn)在電子計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)功能要強(qiáng)得多。

　　不過(guò)由于量子計(jì)算機(jī)、量子通信在技術(shù)突破以及產(chǎn)業(yè)化上有著相當(dāng)大的難度，因此這兩項(xiàng)技術(shù)還需要長(zhǎng)時(shí)間的探索與研究，難以在短時(shí)間內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。

　　率先發(fā)力信息安全和傳感器領(lǐng)域

　　量子信息技術(shù)可能會(huì)成為對(duì)人類(lèi)帶來(lái)最大沖擊的新技術(shù)。量子技術(shù)可以應(yīng)用在量子模擬機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、量子通信、量子密碼、量子傳感等多個(gè)領(lǐng)域。相對(duì)于其他領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，量子技術(shù)將會(huì)率先在信息安全以及傳感器領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　量子信息出來(lái)以后，對(duì)現(xiàn)在的保密系統(tǒng)產(chǎn)生很大的挑戰(zhàn)。首先，現(xiàn)在的保密系統(tǒng)是利用數(shù)學(xué)的復(fù)雜度來(lái)確保保密信息的安全性，一個(gè)數(shù)學(xué)的問(wèn)題要被解了，它的安全也就被破解。

　　在安全方面，量子計(jì)算機(jī)還比較遙遠(yuǎn)，但是量子密碼是現(xiàn)在就可以用的。量子密碼即量子保密通信。量子保密通信的安全性不靠數(shù)學(xué)計(jì)算的難度，而是靠物理定律，靠量子力學(xué)的不確定、不可克隆的基本原理，因而理論上沒(méi)法破解，從而比現(xiàn)行安全技術(shù)更為可靠。

　　目前，量子密碼穩(wěn)定性等基本問(wèn)題都已經(jīng)解決。在某些領(lǐng)域，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行量子安全的產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)，技術(shù)已經(jīng)接近于成熟。不過(guò)，由于缺乏量子中繼技術(shù)，量子安全還只能在一個(gè)城市的城域網(wǎng)使用。兩個(gè)城市之間還不能用。目前各地正在大力推進(jìn)智慧城市，量子密碼在單個(gè)城市應(yīng)用實(shí)現(xiàn)突破，已經(jīng)開(kāi)啟了一個(gè)很大的市場(chǎng)。

　　另外，傳感器利用量子信息，還可以很容易傳感各種物理量，這個(gè)比現(xiàn)在的傳感器不管是靈敏度、精度都有大幅度提高，而這也是在未來(lái)幾年中將會(huì)面臨到的量子技術(shù)的應(yīng)用。

　　現(xiàn)在有溫度傳感器、壓力傳感器、磁場(chǎng)傳感器，我們現(xiàn)在正在做一個(gè)納米級(jí)的顯微鏡，這些都是當(dāng)前前量子傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

　　總之，量子信息技術(shù)將會(huì)是人類(lèi)發(fā)展的重要一環(huán)。