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[科技日报]量子信息:开启未来时代的密钥--访“量子通信与信息技术”项目组

发布时间:2008-05-20
记者:吴长锋

    首席:郭光灿

    时间:2007年9月11日下午

    地点:中国科学技术大学量子信息楼

   ■编者按

       量子信息是量子物理与信息科学相融合的交叉学科,基于量子力学的特性,如叠加性、纠缠性、非局域性和不可克隆性 等,量子信息可以突破现代信息技术的物理极限,开拓出新的信息功能,量子密码可以提供不可窃听、不可破译的绝对保密通信,量子计算机具有巨大的并行计算能 力,提供功能更强的新型运算模式。量子信息技术有望以崭新的原理和方法,开拓出后莫尔时代的新一代的信息技术。美国政府在《保持国家竞争力》计划中把“量 子信息”列为重点支持的基础研究课题。

       “量子通信与信息技术”国家重点基础研究计划于2001年正式立项。该项目由国内17所大学和科研院所、50多 名学术骨干组成的研究团队,历经5年的协作研究,在量子信息的理论和实验方面取得了一批重要的成果,使我国在这一领域的研究水平走在了世界的前列,并在国 际学术界获得了高度评价。

       “科研最忌固步自封,不能只在传统领域‘炒剩饭’,必须根据学科发展和国家需求不断拓展新的科研领域,寻找新的 生长点。”作为项目的首席科学家,郭光灿院士始终开朗谦和,给人总是一张光鲜、灿烂的笑脸。几年前,郭院士和他率领的研究团队在国际上崭露头角,记者就曾 在当时他那尚属简陋的实验室里采访过他。在这一常人觉得“玄之又玄”的量子领域做采访,记者心怀忐忑,但郭院士的热诚与风趣,很快打消了心中的不安。

       事隔几年后初秋的一个下午,记者再次拜访他的时候,呈现在面前的恰是一座气派又现代的“中国科技大学量子信息楼”。郭院士的笑容依然是那么光鲜灿烂。

       记者:通常人们对于“量子”的概念很难理解,“量子信息”就更不用说了。您先通俗地说说这是一个怎样的学科,它和经典的信息科学的区别在哪儿?

       郭光灿:通俗来讲,量子信息学是建立在20世纪物理学支柱之一量子力学基础之上的,是一门利用微观粒子的量子力 学原理来解决经典信息学和经典计算机所不能解决的问题的学科。因此量子信息学是量子力学和信息学的交叉科学。量子信息学最重要的两个应用方向是量子通信和 量子计算。由于其潜在的应用价值和重大的科学意义,量子信息学作为最近十几年来迅速发展起来的新兴学科,正在引起各方面越来越多的关注。

       大家知道,经典信息处理的最基本单元是比特(Bit,即二进制数0或1)。一个按照一定数学规则给出的随机二进 制数据串就构成一个密钥,经典通信中最难解决的问题是密钥分配问题。由于密钥分配不是绝对保密的,经典密码也就不可能绝对保密。然而,基于量子力学线性叠 加原理和不可克隆定理的量子密钥分配却可以解决这个问题。

       一个具体的例子就是大数分解定理,按经典计算复杂性理论,这个问题不存在有效算法,所以被利用来进行经典密钥分 配。但是如果用量子计算机,使用Shor量子算法,例如,为了对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解,目前最快的超级计算机将耗时上百亿年,这几乎等于 宇宙的整个寿命;而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机只需要大约一分钟。因此,对于目前的密码系统,即使人们几乎无法利用经典算法对其进行破解,但一旦人 们拥有了一台量子计算机,那么目前的密码系统将毫无保密性可言!这一后果是对目前的密码系统的巨大挑战,因而对基于经典保密系统的行业(如军事、国家安 全、金融等)的信息安全构成根本的威胁。因此,为了保证这些领域的信息安全,也为了拓宽人类对微观世界的认识,发展量子信息学刻不容缓:一方面,开发由量 子力学基本原理保证其保密性的量子密码系统,另一方面,研制按照量子力学基本原理运行的量子计算机。为此,世界很多国家都投入了巨大的人力和财力积极地进 行相关研究。

       记者:量子信息研究的确价值巨大,现在国际上的研究进展情况怎样?

       郭光灿:量子信息学确实有着很重大的应用价值,如果实现,将是人类生产力的又一次飞跃。迄今为止,科学家还只能实现由少数几个计算单元的量子计算机;基于单光子的量子密码实验已经可以达到100公里的量级。但是要进行实用的、长程的量子通讯还需要更多的努力。

目前,美国、欧洲、日本等发达国家在量子信息研究方面处于领先地位。值得自豪的是,近年来,我国科学家不断地在 量子信息领域取得重要进展,使我国这一重要新兴科学领域在世界上占有了一席之地。在这方面,我们课题组的潘建伟博士及其合作者分别在奥地利和中国科技大学 进行的实验研究为未来的量子远程通信提供了重要的基础。

       记者:量子信息的研究主要集中在哪些方面?

       郭光灿:首先是量子密码。它是量子信息领域中最可能得到实际应用的技术。美国人将“量子密码”称为“改变人类未来”的新技术。量子密码的原理已经在实验室里演示成功。目前国际学术界正在研究走向实用进程中的关键科学和技术问题。

       其次是量子纠缠源的制备、操控和应用。量子纠缠是量子信息领域中最重要的资源。当两个或多于两个的粒子处于纠缠 态时,对其中的一个粒子进行操作,其他的纠缠粒子不管位于何处,其量子态会立即发生相应的变化。因此,彼此纠缠的粒子之间便由这种基于量子非局域性的内禀 通道构成一个量子网络,它可以实现量子通信(即传送量子信息),也可实施分布式的量子计算。自从量子信息作为新兴学科诞生以来,量子纠缠便成为国际学术界 研究的焦点。

       第三是量子信息处理器。量子计算的最终实现取决于能否研制成功物理上可扩展的量子信息处理器,用它来有效地储存和处理量子信息。目前的研究水平离此目标还相差甚远,但科学家满怀坚定的信心正向着这个目标步步逼近。

       记者:我国科学家的研究工作贡献如何?

       郭光灿:可以说在每个领域都有建树,使我国在这一新兴交叉领域里的国际竞争中牢牢地占据了一席之地。

       例如在量子密码方面,我们在实验室成功地实现了150公里的量子密钥分配,在北京与天津之间的125公里实际光 纤上实现了量子密钥分配和加密图像传输。这是迄今国际上报道的最远距离使用光纤量子密钥分配。此外,我们还首次在实验上论证了纠缠态可穿透大气层,并实现 了10.5公里自由空间量子密钥分配,被英国《新科学家》杂志评价为“突破性进展,使得基于人造卫星的全球化量子通信成为可能”。

       另外,我们自主研制成功的高亮度光子纠缠源———连续纠缠光子源,达到每秒12.8万对,对比度为95%;以及 脉冲纠缠光子源等,在国际上都处于先进或领先的地位。在基于固态物理、量子光学和核磁共振量子计算物理实现的基础研究方面也取得了一系列理论和实验的重要 进展。

我们的许多原创性的理论研究,得到国际学术界的高度评价和广泛引用。

       记者:项目组的研究有什么针对性的应用方向和成果?

       郭光灿:我们所取得的理论和实验成果,除了使得我国在这个领域的国际竞争中占有了一席之地外,在涉及国际信息安 全的量子密码研究方面所取得的进展,并拥有了自主的知识产权,为增强我国的信息安全做出了显著的贡献。此外,项目的实施还造就了一直充满活力的研究队伍, 建设了若干一流的研究基地,这为我国中长期规划“量子调控”重大基础研究计划的实施奠定了扎实的基础。

链接

   量子密码

       通过量子信道传送量子态,并通过对传送的量子态进行量子测量和一系列的经典通讯过程和校验过程,通讯双方可以建立起一组只有他们自己才知道的随机数序列, 以此来作为一次一密保密通讯的密钥。所以说,所谓的量子密码,实际上是通过公开的信道实现随机密钥的分发的过程。这里,量子力学从原理上保证了,一旦这个 系统受到窃听,通讯双方就可以通过校验过程发现窃听者的存在,进而终止通信过程,避免不必要的损失。

   量子计算

       承担计算的基本载体(单元)是量子客体,它们的性质和动力学特征完全受量子力学原理的支配,由此构成的类似于经 典计算机的机器称为量子计算机。量子计算机进行的演算称为量子计算。由于受量子力学原理的支配,量子计算机的有效演化过程是一种幺正演化,因此所有量子比 特在演化过程中可以处于一种高度迭加的状态,这导致了计算过程带有固有的并行特征。计算的最后,通过量子测量来读出计算结果,这是一个概率过程。所以,量 子计算过程是一个幺正(并行)演化和概率输出并行结果的过程。已有的理论显示,量子计算可以有效解决目前尚不能有效解决的若干数学问题(如RSA公钥体系 的破解等等)。高性能的量子计算依赖于量子计算机的建立。

   量子纠缠态

       如果一个物理系统由若干子系统构成,子系统之间存在关联,并且这些关联是通过两种或更多种途径来实现的,则这个 复合系统出于一种由不同途径关联在一起的迭加态,这个态被称为是纠缠态。在数学上讲,就是一个复合系统的密度矩阵,如果不能写成子系统的密度矩阵的直积的 线性和的形式,那么这个系统子系之间就是纠缠的。它是量子力学的迭加性在复合体系的一种特殊表现。

                                                             《科技日报》2007年9月25日