量子互联网：最安全的互联网今年

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今年，中国科学界有两件大事发生：

7月21日，张首晟及其团队在美国科学杂志上发表了一项重大发现：在整个物理学界历经80年的探索之后，他们终于发现了费米子（1928年，物理学家Paul Dirac预测：宇宙中的每个基本粒子都有一个与其对应的反粒子——电荷相反的“双胞胎”。当粒子与反粒子相遇时，它们会湮灭，同时释放出一股能量。几年后，第一个反物质——电子的反粒子被发现，反物质迅速成为流行文化的一部分。而在1937年，另一位物理学家Ettore Majorana预测，在一类被称为“费米子”的粒子（包括了质子、中子、电子、中微子和夸克）中，应该有一些粒子，自己就是自己的反粒子。）的存在。张首晟将这一新发现称为“天使粒子”。诺贝尔奖获得者Frank Wilczek评价“这真是一项里程碑的工作”。国际同行说该发现“不仅具有重大的理论意义，而且具有重要的潜在应用价值：让量子计算成为现实”。

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6月15日发布的美国《科学》杂志封面上，中国“墨子号”量子卫星从太空向地面发出两道光，宛如两条长腿跨出一大步，从百公里到千公里，象征量子通信向实用迈近一大步。杂志刊发了中国科学技术大学教授、量子卫星项目首席科学家潘建伟等人的论文。

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不明觉厉。

普通人可能很难理解这些东西有什么用，对未来我们的生活有多少影响，打个不恰当的比方，想一想几十年前的计算机和互联网给人类社会带来的巨大变化就知道了。

而量子互联网，就是它们的升级版。

量子互联网是新型互联网，是一种运用量子力学原理搭建起来的互联网，能够使绝对安全的网络通信成为可能。由于对量子体的任何测量行为都是对量子体的一次修改，所以任何窥探量子信息的企图都会留下马脚，可以被量子信息的接收者监测到，因此该网络被称为最安全的互联网。在量子互联网的帮助下，用户将有望在一个绝对安全的通讯网络上发送信息。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室已建起一个小型试验网络并成功运行了两年半的时间。

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洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个研究团队披露说，他们已经设法避开了部分限制条件。使用的方法是围绕一个中枢核心创建一套辐射状量子网络。任何信息如果想从网络中的一点传输到另一点，都必须首先经过中枢核心。这不是科学界首次尝试这一方法。传送至中枢核心的信息符合正常的量子安全标准。不过一旦到达中枢核心，信息就会被转变为传统的比特形式，然后再次转变为量子比特，开始通往目的地的后半段旅程。

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量子通信的最基本原理即为量子纠缠，两个粒子无论距离远近，可以瞬间彼此相互影响。因为信息不能以光速行进传播，这看起来似乎违背了狭义相对论的概念，但如果粒子彼此纠缠，二者的量子态就是共享的，此时将它们视为单一实体将没有任何意义（至少在量子力学中是这样）。

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麻省理工学院科学家表示，长距离量子传输是中国创建大规模量子互联网的关键要素，也是重中之重！就像有了快递网络，却没有火车飞机用以运输是万万不可的。通过量子力学构建的量子计算机的性能甚至远超目前最好的超级计算机。

目前量子通信已经初步在城域网上有一些很好的运用，将来慢慢地会做到向广域网推进。今年5月3日，中国科学技术大学潘建伟教授团队宣布研制成功“世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机”。“我们希望通过十年左右的努力，用光纤来构建一个多横多纵的骨干网络。在相关卫星的帮助下，我们能够实现一个天地一体化的、广域的量子通信网络。”潘建伟说，“有了这个网络，就能够给每个有需要的用户提供密钥；有了密钥之后，和相关的加密算法加在一起，也许在十年或者更长一点时间，就可以构建一个有量子通讯保障的互联网。”

潘建伟：希望能再通过五年时间，有至少两颗卫星都可以在白天做实验，解决卫星与卫星间通讯全天时的问题。再通过十年左右的努力，形成“星群”，与地面台站结合，逐步构建起天地一体的量子通信广域传输网络。

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传统计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题，而量子计算机却可以同时解决多个问题。在经过几十年发展后，传统计算机性能提升的摩尔定律已渐渐失效。而量子计算机可在一些特定功能上取得上亿倍性能提升。超高速的运行能力，使得量子计算机得以在如人工智能、分子模拟、密码学、金融建模、天气预报、粒子物理学有广阔应用前景。谷歌量子AI实验室科学家此前在《自然》杂志上发表文章指出：量子计算领域即将迎来历史性的里程碑，小型的量子计算机会在5年内逐渐兴起。

量子计算是量子物理的一个重要分支，量子计算机相比普通计算有着巨大的计算和性能优势。这是因为：普通计算机中的2位寄存器在某个时间只能存储4个二进制数中的一个，而量子计算机中的2位量子位（qubit）寄存器可同时存储四个数。

也正是由于每一个量子比特可以表示两个值，也就是说，如果在计算机引入更多的量子比特，计算机的计算能力会呈现指数级提高，这对于面临瓶颈的传统计算机而言，寻找到了全新的发展路径。

借助量子的并行性，可以同时对2N个数进行数学运算，相当于传统计算机重复实时2N次操作。中科院的专家指出，传统的万亿次计算机分解300位的大数，需150000年。而使用万亿次量子计算机，则只需要1秒钟。

量子计算将在大数据、人工智能等领域发挥巨大作用，比如求解一个亿亿亿变量的方程组，亿亿次的“天河二号”需要100年。而是用万亿次量子计算机，只需要0.01秒。

量子计算机的出现，将使计算真正成为一种取之不尽的公共资源，从而帮助人类解决诸如破解经典密码、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探、生命科学等一系列难题。

另外，由中国科学技术大学教授陆朝阳带领的团队在论文中说：“空间尺度上的隐形传态是可以实现的，这有望在未来的分布式量子互联网中发挥关键作用。”。

由于棱镜门、黑客泛滥等，网络安全问题日益受到人们的普遍关注，创建黑客无法入侵的量子互联网也成为各国的重要研究方向。

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虽然中国在量子领域有一点进步，但整体还远远落后于日本和美国。

量子计算机的多项基础技术源于日本，D-Wave量子计算机是由当时在日本NEC研究所任职的蔡兆申和中村泰信，于1999年在全世界率先实现的。而它的基础是源于日本东京工业大学西森秀稔和门胁正史教授提倡的“量子退火”理论。

谷歌已在开发量子计算技术的商业应用，最终实现量子云服务。除谷歌外，今年年初，微软在官方网站刊文表示将着手量子计算工程样机研发。IBM宣布将推出全球第一个商业化量子计算云服务IBM Q。

此外，软银新成立的Vision基金会正准备投资量子计算，英特尔也公布了自己的量子计算机计划。

早在2000年，日本邮政省就将量子通信技术作为一项国家级高技术列入开发计划，主要致力于研究光量子密码及光量子信息传输技术。日本的一些著名大公司和高校，始终在研发量子通信的高端技术与系统。

日本计划在2020年-2030年间建成绝对安全保密的高速量子通信网，从而实现通信技术应用上的质的飞跃。

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在美国政府 2015 年提出的“国家战略计算倡议”（National Strategic Computing Initiative）中，情报高级研究项目局位于政府各部门分工的中心位置。事实上，情报高级研究项目局自从 2007 年开始就已经逐渐全面展开量子计算技术研究。从相干超导量子比特项目、多量子比特相干操控项目、量子计算机科学项目到量子逻辑芯片项目，情报高级研究项目局在量子计算的物理实现方式、量子计算机学科基础建设方面积累了一定成果和经验。特别值得注意的是，情报高级研究项目局在2016年初宣布启动量子逻辑芯片项目，这种硬件产品是研制通用型量子计算机的关键，如果这项技术取得突破，理论上可以制造出量子比特可扩展的计算系统。因此，该项目主管称其为类似于“曼哈顿计划——芝加哥一号反应堆”的核心项目。

2006年，微软公司在加利福尼亚大学建立了自己的量子研究所（Station Q），虽然微软在量子计算领域研究的信息透露非常有限，但与其有合作关系的研究者表示，该公司有能力在2025年制造出全功能量子计算机。与其他机构存在显著区别，微软公司采取了被称为拓扑量子计算的研究方式，其试图同时设计软件、硬件和量子计算其他相关元素，从而避免其他量子计算硬件设计方案面临的系统不稳定的问题。微软公司甚至还发布了语言集成量子运行模拟器（Language-Integrated Quantum Operations），这种量子软件模拟器可以使开发者在经典计算机上模拟量子计算环境。未来量子计算机不可能仅仅局限于在若干特定问题领域，而开发针对不同问题的软件是扩大量子计算功能影响的必要途径。作为当今世界使用范围最广计算机操作系统的提供商，微软在软件领域具有强大技术储备和开发经验，有可能在未来量子计算的软件生态系统中建立主导优势。

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计算能力是信息时代的基本生产力，不仅是国家实力的重要标志，更在国家实力竞争中发挥着关键作用。所谓计算，根本上说就是处理能力，在世界范围内信息传播速度基本一致的情况下，谁掌握更强的信息处理能力，谁就占据了信息竞争的高地，并能居高临下投射影响力。上世纪中后期，计算机和网络技术先后在美国发展壮大起来，并在向世界扩展的过程中加速了全球化进程。基于其掌握的大量核心技术，美国也在不断攫取和积累国家政治影响力，高性能计算能力甚至能够还直接影响国家重大决策。

总之，量子互联网不仅是传统互联网的技术升级，更是未来国家经济、军事、信息安全等领域的综合实力的竞争。

包括目前火热的物联网、人工智能、无人驾驶等，都需要应用到快速和庞大的数据计算才能实现，而等到这些概念真正普及到全社会的时候，我们的生活也会发生天翻地覆的变化。

对此，你期待吗？