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粒子如何在保持一种称为“量子纠缠”的神秘状态下完成远距离通信

2019-02-19 11:28 次阅读

在全球学术界,Science系列期刊是兼具重要影响力、高度权威性的重要学术刊物,而作为 Science 系列期刊出版方,美国科学促进会(AAAS)则是世界上最大的多学科科学协会,致力于推动全球科学研究与工程技术应用创新。

AAAS 于 1923 年开始设立克利夫兰奖,也是其最悠久的奖项。当地时间2月14日晚间,AAAS 在 2019 年年会上,史无前例地将 2018 年的克利夫兰奖颁给了一支 34 人的中国团队——由潘建伟领导的中国“墨子号”量子科学实验卫星团队,以表彰该团队实现千公里级的星地双向量子纠缠分发。

图丨 AAAS 将 2018 年度纽科姆·克利夫兰奖奖章交到中国科学技术大学教授、量子科学实验卫星量子纠缠源分系统主任设计师印娟手中(来源:CGTN)

今年的获奖论文,描述了粒子如何在保持一种称为“量子纠缠”的神秘状态下完成远距离通信,DT 君曾在成果发布的第一时间报道了此事。

在量子纠缠中,物理学家同步多个粒子的特性,例如光子或电子。一旦粒子被分离,这种“纠缠”允许观察者通过测量与其连接的粒子的状态来确定给定粒子的状态。

如果研究人员能够实现远距离的量子纠缠,那么真正的不可破坏的信息加密系统将离我们不远:长距离的量子纠缠是安全通信的“量子钥匙”。任何对加密信息的破解尝试都会对分享的钥匙产生干扰,进而提醒通讯者注意自己的信息安全。

图丨 AAAS 相关报道(来源:AAAS)

但棘手的问题在于,纠缠态的量子会在通过空气等介质的时候急剧衰减。所以,目前量子秘钥的最长距离也就只有几百公里。作为解决办法,量子中继器 (Quantum repeaters) 能够通过放大量子信号的方式延展网络的覆盖范围,但这一技术尚未成熟。许多物理学家于是梦想通过卫星在几乎真空的太空环境中传输量子信号。

在潘建伟团队发表于 2017 年 6 月 16 日的 Science 论文中,他们证明了一种新技术的可行性,该技术可以最大限度地减少这种衰减。团队使用“墨子号”卫星通过近地真空发送光子对,成功地测量相隔 1203 公里的量子密钥。研究表明,卫星网络有朝一日可以作为量子互联网的基础设施。

“安全沟通在现代世界中至关重要,”Science 主编、纽科克利夫兰奖评选委员会主席 Jeremy Berg 说,“理论上,基于量子纠缠现象的方法显示了一种完全安全的通信解决方案。爱因斯坦曾将其称为“遥远的幽灵活动”。

“然而,将这些理论方法转化为实践仍存在许多挑战,”Berg 补充道,“获奖论文是应对这些挑战的重要一步,实现了远距离的量子通信。”

图丨潘建伟团队成员(来源:潘建伟)

潘建伟因签证原因未能出席

据了解," 墨子号 " 是由我国自主研制的世界上第一颗空间量子科学实验卫星,从 2016 年 8 月 16 日成功发射,其三大科学任务——高速星地量子密钥分发、星地量子纠缠分发、地星量子隐形传态——目前都已完成。这三大任务预估耗时 2 年,但最终 1 年时间就已实现目标。这也让国际同行再次将目光聚焦到中国量子技术的发展上:在建设使用量子加密传输数据的网络上投入了数千万美元的资金、使用量子加密技术实现北京与维也纳之间的视频通话、经过四年的规划和建设,北京和上海之间的专用量子通信网络“京沪干线”也于去年正式开通……

图丨“墨子号”成果登上 Science(来源: Science)

正如年会上 Science 主编、纽科克利夫兰奖评选委员会主席 Jeremy Berg 所说:“过去几年间,中国科学领域的进步让人刮目相看。我认为这篇论文能在这样一个竞争激烈的领域脱颖而出,也证明了当今中国科学研究的质量。”

但令人遗憾的是,据了解,潘建伟未能参加此次颁奖活动,因为他的签证正处于“行政审理”状态。

“科学应该是无边界的。这就是会议的主旨,当然是 Science 的办刊主旨,来自世界各地许多国家的研究人员和科学合作团队,”Science 主编、纽科克利夫兰奖评选委员会主席 Jeremy Berg 说,“这是一个不幸的事件。在科学的跨国、跨界方面,这确实令人沮丧。”

在国际局势已经开始侵蚀科学界交流的当下,中国团队本土成果获得如此国际认可难能可贵。

2019 年量子军备赛

此次研究能够获得 AAAS 的青睐,预料也有量子通信技术近几年在全球受到广泛关注的原因。

例如,与中国在人工智能等其他尖端技术上的做法一样,美国政府也已经把各种量子研究列为重点。

2018 年 12 月中下旬,美国众议院通过了《国家量子倡议(NQI)法案》。根据该法案,未来五年内,美国能源部、国家科学基金会和商务部(国家标准与技术研究院(NIST)直属商务部)将在量子信息科学研究领域共计投入 12 亿美元。中国在量子领域首批投资预算高达 100 多亿美元,相较而言,12 亿美元只能算小手笔。不过,金额大小并不能最终决定研究的质量或实际价值。并且,尽管在量子加密方面中国略胜一筹,但得益于私企的投资,美国在量子计算领域有较大的领先优势。

目前,美国最值得期待的量子通信项目之一,是由美国能源部资助、两大国家实验室领导建立的新量子网络。该网络将在一年左右的时间内从阿贡国家实验室延伸到费米国家加速器实验室。这两家国家实验室和芝加哥大学已建立了一个名为“芝加哥量子交换”(Chicago Quantum Exchange) 的合作项目,由 Awschalom 牵头,是整个项目的先期项目。对于美国在开发不可破解通信技术的全球竞赛中取得重要成果具有推动作用。

(来源:Quantum Xchange)

另外,在 2018 年 10 月 26 日,一家名为 Quantum Xchange 的创业公司表示,它已被允许接入沿美国东海岸运行的 500 英里光纤电缆,用以为美国创造该国的首个州际、商用量子密钥分发网络。随着此次美国量子互联网项目到位,全球量子互联网的竞争态势将更加激烈。

在 2019 年,全球量子军备赛竞争还将包括建造真正的商用量子计算机

回顾过去的一年,量子计算市场一片火热,几家科技公司各自推出了自己的芯片,凭借量子比特数目抢占“量子霸权”:

2018 年一月的 CES,在推出 17 量子比特芯片 2 个月后,Intel 公司宣布设计并制作了具有 49 个超导比特的芯片 Tangle Lake。芯片目前交由其在荷兰的研究伙伴 QuTech 进行测试,但到目前为止还未有测试结果。

(来源:谷歌)

谷歌紧随其后,于 2018 年 3 月发布了其 Bristlecone 芯片,该芯片具有 72 个超导量子比特,远超前几个公司的量子比特数,被认为是“更加接近量子霸权”。同年 7 月,Google 与 NASA 签订合作协议,由 NASA 分析其量子计算架构上运行的量子电路的结果,验证是否真正达到“量子霸权”。分析结果将于 2019 年揭晓。

另外,来自加州伯克利的著名初创公司 Rigetti 于 2018 年 8 月推出了其 128 量子比特的超导量子芯片,并希望在接下来一年多的时间围绕这一芯片构建量子计算系统。

如果说过去的一年是围绕量子比特数和量子霸权炒作的一年,那么接下来的 2019 年将会是超导量子计算机的各大公司在拿出真实成绩的一年。很多在之前的计划也到了兑现的时候,究竟谁能真正的在实用化量子计算机领域脱颖而出,我们将拭目以待。

原文标题:96年来首次!34名中国科学家获美最大科学联盟颁奖,“墨子号”量子卫星再迎国际认可

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