量子技术,行业互联网|「墨子沙龙活动简报」未来趋势：量子互联网量子技术|行业互

?2020年上海科技节于8月23日—29日正式开启。8月25日，墨子沙龙登陆上海科技节，在上海中心举办了主题为“未来趋势：量子互联网”的科普活动。

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诞生于20世纪初的量子力学不仅改变了我们看待世界的方式，将广阔的微观世界展现在世人面前，还催生出激光、晶体管、集成电路、核磁共振成像等现代技术，彻底改变了人类生活。
最近几十年，随着量子信息学等交叉科学的飞速发展， “第二次量子革命”悄然来临。新兴量子技术让无条件安全的通信成为可能，计算能力获得指数级飞跃，超越经典极限的精密测量得以实现……
因其强大的能力、广泛的应用前景，量子新兴技术被视为“决定未来的技术” ，美国、欧盟等都在整合科研资源进行布局、不断加大相关投入。在量子技术领域，与欧美相比，我国起步较晚，但过去二十年间，发展迅速，特别在量子保密通信领域，中国已经成为国际领跑者。全球量子竞赛愈发剧烈，谁将取得量子时代的领先，我国面临着前所未有的机遇与挑战。
而“量子互联网”是当下世界各国量子竞争的焦点。2016年5月，欧盟提出“量子技术旗舰计划” ，计划投资约10亿欧元， 10年左右建成量子互联网；2020年初， “量子技术旗舰计划”发布报告《战略研究议程》，细化了未来三年量子技术的发展目标，为未来的“量子互联网”远景奠定基础。2018年12月，美国《国家量子计划法案》正式签署颁布，计划投资约13亿美元，实施为期10年的“国家量子计划”；为了进一步支撑《国家量子倡议法案》的顺利施行， 2020年7月，美国能源部公布报告，规划了美国“量子互联网”发展的战略蓝图。
【量子技术,行业互联网|「墨子沙龙活动简报」未来趋势：量子互联网】量子互联网可以理解为量子通信技术支撑的一种产生和使用量子资源的新型功能网络。量子密钥分发网络是量子互联网的初级形态，其高级形态将是全量子网络，是用量子隐形传态或量子纠缠交换技术作为链接，将用户、量子计算、量子传感等节点连为一体，产生、传输、使用量子资源的一个网络。其将用于量子通信、量子传感及量子计算。
量子通信领域，我国是怎样从无到有，又取得国际领先的？单光子探测技术能带给我们哪些惊奇，实现哪些传统技术不可能完成的任务？量子计算机为什么具有碾压经典计算机的强大计算能力，我国目前发展到了什么阶段？正值“墨子号”量子科学实验卫星发射成功4周年之际，此次活动邀请到“墨子号”团队重要成员印娟教授，量子成像领域的青年才俊徐飞虎教授以及“潘之队”超导量子计算负责人朱晓波教授，带大家进入量子技术的疆域！
“墨子号”——漫漫追星路

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“墨子号”是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一， 2016年8月16日， “墨子号”发射升空，两年时间完满完成了既定科学目标——量子纠缠分发和量子力学非定域性检验、量子密钥分发、量子隐形传态。由于其优异的性能表现， “墨子号”将超长服役2年，开展进一步的拓展实验，并且已经有了多项重要成果。
前不久， “墨子号”度过了自己的4岁生日。作为“墨子号”量子纠缠源载荷主任设计师，印娟教授给大家分享了“墨子号”的这四年，以及“墨子号”升空之前，为了验证基于卫星的量子通信的可行性，科研人员的无数付出。
量子保密通信要从实验室走向广泛应用，远距离传输问题是需要解决的重要挑战之一。光纤由于存在固有的光子损耗，且与环境耦合会致使纠缠品质下降，因此光量子传输难以通过光纤向远距离拓展。而基于空间平台（例如卫星）的自由空间量子通信，是实现长距离安全通信的一种途径。基于卫星，无论地面两点相距多远，损耗仅发生在地面站和卫星之间，等效大气厚度只有10公里级。分页标题
2003年，潘建伟团队提出自由空间量子通信的构想， 2004年，在合肥实现了自由空间中距离13公里（超过等效大气厚度）的量子纠缠和密钥分发；2009年，又实现16公里自由空间量子隐形传态；2011年，实现100公里级自由空间量子隐形传态以及双向量子纠缠分发；2012年，实现星地量子通信的全方位地基验证。这一系列地面验证实验证实了基于卫星的自由空间量子通信的实际可行性。同时，在地面验证实验中，研究团队发展了高精度捕获、指向、跟踪技术，实现了高灵敏的能量分辨率，这为以后“墨子号”的工作开展积累了必需的技术支撑。
由于充分的技术积累， “墨子号”表现出超过预期的优异性能，除了完成既定的科学目标外，还完成了多项拓展实验。例如，首次实现相隔7600公里的洲际量子通信实验（北京-维也纳）；实现基于纠缠的量子密钥分发，把无中继量子密钥分发的安全距离提升到1000公里，且即使卫星被他方控制也能够实现密钥的安全分发；首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试融合量子力学与广义相对论的理论进行实验检验；实现星地高精度安全时频传递，时间传递精度为30 ps ，等等。
由于“墨子号”的成果，其他国家也纷纷开始开展空间量子通信计划。美国NASA发布了空间量子实验白皮书，加拿大启动研制新一代量子通信卫星，欧盟将与欧空局携手建造天地一体的泛欧量子通信基础设施，等等。
印娟教授还和大家分享了我国未来的空间量子计划：通过“量子星座”实现高效的全球化量子通信；研制更加小型化、移动化的地面站，以实现真正的规模化应用。
单光子相机：雾里看花、隔墙观物

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光沿直线传播，如果面前有障碍物，是否还能墙后的人或物？神奇的量子技术告诉大家，通过单光子成像技术，“雾里看花、隔墙观物”就可能实现。单光子相机是一种基于量子物理原理的超高灵敏度的光电探测技术。利用单光子相机和计算成像算法，可以实现远距离成像与传感、非视域成像。
传统光电探测技术的探测灵敏度约为1 nW ，要想获得一张清晰照片往往需要采集数十亿计的光子。在弱光环境下，例如当我们要测量远距离目标时，传统光电探测技术便难以胜任，由于仅能探测到少量光子，图像变得模糊，无从分辨！而单光子相机，对于每个像素平均只探测一个光子，再结合计算成像算法，就能高效的重建出图像。此为“雾里看花” 。
还有更神奇的，单光子成像技术还能实现“隔墙观物” ，即非视域单光子相机。所谓非视域，即摄像机视野之外的地方，那么如何才能捕捉到视域之外物体的图像甚至动态视频呢？可以通过附近的墙壁等表面。非视域物体的相关信息经由墙壁的反射而进入单光子探测器，通过分析光子的飞行时间，利用非视域成像算法，就能够重建出非视域物体的图像。徐飞虎研究团队使用研发的单光子相机系统，以及全新的计算成像算法，已经可以实现复杂场景的非视域成像。
量子计算——挑战未来

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量子计算是最近几年科学界的热门话题， “量子优越性”及未来真正实现量子计算实用化的研究如火如荼。
来自“潘之队”的超导量子计算负责人朱晓波教授为大家科普了量子计算的原理、不同实现方式和现在的国际竞争状况。他着重为大家介绍了他们团队和宣布取得“量子优越性”的谷歌团队共同使用的超导量子计算体系，并分析了其优势和面临的挑战。分页标题
超导体具有零损耗特质，半导体平面印刷工艺成熟，超导量子比特容易耦合与控制，且超导量子方案中尚没有发现原则性的困难，这些都是超导量子计算的优势。当然，超导量子计算也面临着亟待解决的巨大挑战，一个极具挑战性的关键难点是：在对单微波光子态（量子比特）高保真调控与读出的情况下，如何实现可扩展？
目前超导量子计算的国际顶尖水准是Google的53量子比特、保真度99.4%的超导量子系统。朱晓波教授透露，中国科大今年预计可以实现60量子比特、99.5%保真度的超导量子系统，而5年后，希望能将这一数字提高到千个量子比特， 10年后达到百万量子比特。
我们处于大数据时代，全球数据量呈指数增长，每两年便翻一番。现代社会对计算有着巨大的需求，而目前人类所拥有的计算能力却还相当有限。
量子世界给我们带来了新希望。微观世界遵守量子力学原理，具有与经典世界不同的行为方式，利用这些“独特性” ，我们可以实现一些原本不可能的事情。与经典计算模式不同，量子计算能力随可操控的量子比特数呈指数增长，实现50比特的相干操纵，便有望实现所谓的“量子优越性”——即在特定问题的处理上，能力超过目前最强大的超级计算机。
量子网络和计算技术目前处于发展初期，现阶段各国都在一方面发展基于可信中继的量子通信网络，同时积极储备量子互联网后续阶段的基础技术。量子通信、量子传感和量子计算等新兴科技的蓬勃发展，将对我们的世界产生巨大影响。在上海科技节，墨子沙龙希望通过科学家们的科普，鼓励年轻人投身科研事业，推动未来中国科技的创新与发展。
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关于“墨子沙龙”
墨子沙龙是以中国先贤“墨子”命名的大型公益性科普论坛，由中国科学技术大学上海研究院主办，中国科大新创校友基金会、中国科学技术大学教育基金会、浦东新区科学技术协会、中国科学技术协会及浦东新区科技和经济委员会等协办。
墨子是我国古代著名的思想家、科学家，其思想和成就是我国早期科学萌芽的体现， “墨子沙龙”的建立，旨在传承、发扬科学传统，建设崇尚科学的社会氛围，提升公民科学素养，倡导、弘扬科学精神。科普对象为热爱科学、有探索精神和好奇心的普通公众，我们希望能让具有中学及以上学力的公众了解、欣赏到当下全球最尖端的科学进展、科学思想。