人民日报：量子通信，中国领跑

量子科学实验卫星的标准恒星。中国绘画科学院

几天前，中国成功发射了世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子”(以下简称量子卫星)，这将在世界上首次实现卫星与地面之间的量子通信，并建成一个全球范围的量子保密通信和科学实验综合系统。

量子卫星的成功发射不仅具有重要的科学意义和实用价值，而且将推动中国在量子空间的国际竞争中占据主动，在第二次量子革命中从一个跑步者变成一个领导者。

在空间尺度上测试量子力学有望导致基础科学前沿的突破。

量子是物理世界中最小的基本个体。它有神奇的特点:首先，有多种可能状态的叠加状态，只有当观察或测量时，某些确定的状态才会随机出现。中国科学院院士、量子卫星首席科学家潘剑伟解释说:“这就像孙悟空的分裂自己的方法。”。

其次，量子有纠缠态，这意味着两个纠缠的量子就像心灵感应的双胞胎。无论两者相距多远，当哥哥的状态改变时，弟弟的状态也会改变。

随着科学家对这些特性的不断认识，适合实际应用的量子通信技术得到了发展。量子通信分为两种类型。一种是量子安全通信，它可以实现无条件的安全通信，并且永远不会被窃听或解码。另一种是量子隐形传态，它可以准确地将一个粒子的未知量子态传送到一个遥远的地方，而无需传送粒子本身。"就像筋斗云一样，它实现了瞬间传输."量子卫星的发射主要是为了进行星地高速量子密钥分配和星地量子隐形传态等实验。

"以量子信息为代表的量子调控带来了第二次量子革命."潘剑伟认为，人类已经从简单地观察量子到积极地调节量子，实现了巨大的飞跃。“中国成功发射量子科学实验卫星是一个里程碑，它将建立有史以来最大的综合量子实验室，真正实现星地之间的广域量子控制。”

"在过去，人们只看到量子现象，却不了解它们背后的规律."潘剑伟说，科学家起初只是被动地观察量子，发现了有用的现象，所以他们试图应用它。这样，量子力学给人类带来了核能和半导体等重要发明，可以称之为“第一次量子革命”。随着理解的加深和技术的进步，人们开始尝试积极控制量子的奇异性质，开发适合经典世界的新技术。“一个接一个地抓住微观粒子，并根据需要在微观水平上精确地组装和调节它们，是一个新的飞跃。量子调控和量子信息技术的迅速发展标志着第二次量子革命的兴起。

科学卫星作为人类认识自然的最重要和最直接的手段之一，能够促进人类在基础科学领域产生重大的原创性成果。

继暗物质粒子探测卫星“悟空”和微重力科学实验卫星“实践十号”之后，量子卫星作为中国空间科学战略先行者的第三颗科学卫星，将推动基础科学前沿领域的突破中国科学院国家空间科学中心主任、空间科学试点专项科学卫星项目执行副主任吴季表示。

"这次发射可以帮助科学家在空间尺度上测试量子力学的正确性."潘剑伟介绍说，量子力学理论是一种描述微观世界的理论。它是否能在宏观范围内建立，仍需通过实验来证明。“如果光学量子纠缠的分布能够在很长距离上实现，就有可能测试未来量子引力的模型。”

有人曾问他:既然量子力学被认为是正确的，为什么要在大规模和远距离进行测试？"因为只有进入新领域，新的科学才能被发现."潘剑伟回答道。

“以量子光学为例。一旦量子态、量子关联和量子纠缠的理论得到量子科学实验卫星的验证，它将对量子光学的理论计算和实验设计起到指导作用。”中国科学院北京计算科学研究中心教授朱说。

“如果证明这次卫星发射的技术路线是正确的，外国团队将开始从太空进行量子实验，这将促进整个学科的发展，这是一个主导作用。”潘剑伟说道。

“也正因为如此，外国团队相继加入了我们的国际合作。中国吸引了更多高质量的国际资源。”潘建伟表示，中国科学院已与奥地利科学院签署合作协议，并共同致力于在量子科学实验卫星框架内开展洲际量子通信实验。"目标是实现北京和维也纳之间的量子保密通信."此外，还与致力于探索量子通信的德国团队开展了相关合作。

大国在量子通信领域竞争激烈。起步不是最早的中国已经实现了“弯道超车”

量子通信关系到国家信息和国防安全，这一战略领域已经成为发达国家和地区优先发展的信息技术和产业高地-

美国对量子通信的理论和实验研究起步较早，并首次被纳入国家战略。美国国防部支持的“高级研究和开发活动”计划将量子通信的应用扩展到卫星通信、城域网和长距离光纤网络。美国航天局还计划在其总部和喷气推进实验室之间建立一条长距离光纤量子通信干线，该干线有10个主干节点，线性距离为600公里，光纤护套长度约为1000公里，并计划扩展到卫星地面量子通信。

欧盟的目标是共同建立一个量子互联网。2008年发布的《量子信息处理与通信战略报告》明确规定了未来5年和10年欧洲量子通信的发展目标。欧洲联盟还发起了量子通信技术标准化研究，并建立了“基于量子密码的安全通信”项目，这是继欧洲核研究组织和国际空间站之后的另一项大规模国际科技合作。

日本也不愿意落后，已经为量子信息技术制定了长期发展路线图。*家信息与通信研究所计划在2020年实现量子中继，并在2040年建成一个容量有限、无条件安全的广域光纤和*空间量子通信网络。

虽然中国不是全球量子通信竞争的第一个开始，但在科学家们的不懈努力下，中国现在已经实现了量子通信领域的“弯道超车”。

2007年，潘剑伟团队首次实现了安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发。世界上第一个全通量子通信网络于2008年实现。第一个大规模都市量子通信网络将于2012年建成。中国在2016年发射世界上第一颗量子科学实验卫星……许多“世界第一”来自“中国队”。

“这标志着中国在量子通信领域的崛起，从10年前的一个小国发展到现在的世界强国，领先于欧洲和北美……”《自然》杂志在报道该团队的研究成果时表示。

当被问及为什么有可能在欧美国家之前发射第一颗量子卫星时，潘建伟坦率地承认，当他的大多数同事还在进行实验室的理论演示时，他们的团队已经开始思考如何在空间实现量子信息传输，并开始了一系列星地量子通信的地面验证实验，为星地量子通信奠定了坚实的基础。

潘建伟表示，这也得益于国家的大力支持。“中国的‘大科学’项目非常高效。一方面，国家的高强度支持使得包括我们团队在内的优秀科研团队能够迅速推动量子信息研究的发展；另一方面，当卫星量子通信方向出现重大突破的迹象时，中国科学院迅速做出前瞻性决策，并能够在国际上率先启动卫星项目。”

希望到2030年，全球广域量子通信网络将建立起来，量子计算领域将取得一些成就。

“我们仍然不知道为什么会有量子纠缠。我们对量子力学的理解仍然是肤浅的。”潘剑伟说，在未来五年里，他最想做的事情是首先从更远的距离和更大的范围来研究量子力学，并发现新的科学。与此同时，我们将坚持用发现定律改造世界，建立更广泛、更高效的量子安全通信网络。

“对我们的团队来说，卫星的发射并不意味着努力的结束。一颗低地球轨道卫星无法覆盖整个世界。同时，由于强烈的阳光背景，目前的星地量子通信只能在局部阴影区进行。为了实现高效的全球量子通信，我们还需要形成一个卫星网络。”潘建伟表示，继“量子科学实验卫星”项目之后，他的团队还将计划在空间站开展“量子控制和光传输研究”项目。该项目将研究星间量子通信技术、全天量子通信技术等。同时，将开展量子密钥组网应用、空间激光通信各种技术系统验证等应用研究。，这将为下一步卫星联网奠定技术基础。“如果进展顺利，有望在2030年前建立全球广域量子通信网络。”

量子计算是潘剑伟想做的另一件事。

量子计算将带来计算能力的飞跃，是量子信息除量子通信之外的另一个重要分支。在经典计算机中，每一位只有两种状态，0和1。然而，在量子计算中，每个比特可以处于0和1的叠加状态。一旦操纵量子的数量增加，它将以指数增长的形式增加计算速度，具有超强的并行计算能力。

“例如，用一万亿台经典计算机分解大量的300位需要15万年，用一万亿台量子计算机只需要一秒钟。”潘建伟表示，在大数据和人工智能领域，要解决一个包含1000亿个变量的方程组，以及使用目前速度最快的超级计算机(拥有1000亿倍的“太湖之光”)需要大约100年的时间。然而，只需要0.01秒就可以使用一万亿次量子计算机。

量子计算不仅可以解决大规模的计算问题，如天气预报、药物设计、金融分析和石油勘探，还可以揭示复杂的物理机制，如高温超导和量子霍尔效应。

潘剑伟介绍了量子计算的一些进展。中国科学院与阿里巴巴集团合作建立的量子计算实验室将努力在最有希望的研究方向上取得第一次突破，实现实用的量子计算，如基于光和超导比特的量子计算和基于超冷原子的量子模拟。“到2020年，该实验室在量子模拟方面有望达到“太湖之光”的超级计算机能力，到2030年，在某些特定功能方面将达到“太湖之光”的100亿倍，初步实现通用量子计算功能。”近年来，他的团队在世界上首次实现了快速求解线性方程组的量子算法和量子机器学习算法，成为量子计算应用于大数据分析和人工智能的开创性实验工作。

“中国的量子计算研究有一些亮点，但仍需要团队的不懈努力才能赶上欧美发达国家。”潘剑伟说，现在球队正在全力以赴追赶。“我们非常有信心。”