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量子信息技术发展扫描

时间:2020-05-19 分类:军事文摘

陈健 李逸豪

近几年来,经过持续科研攻关与多方推进,以量子计算、量子通信、量子雷达、量子测量等为代表的量子信息技术快速发展,取得一系列进展与成果,同时也面临诸多问题与挑战。世界主要国家对此十分重视,不断投入资金与力量向前推动,期待在相关领域能够取得较大突破。

量子计算技术

当前,世界科技巨头不仅各自专注于量子计算技术某一方面攻关,还在全球范围内联动优势资源展开广泛合作,例如谷歌与创业公司Rigetti Computing合作推出开源量子计算软件平台,同时还与哈佛大学、劳伦斯·伯克利国家实验室、塔夫茨大学、伦敦大学等众多研究机构展开合作,期望在量子化学计算领域取得实质突破。2019年9月20日,谷歌宣布实现“量子霸权”,2分30秒完成了超级计算机1000年的计算量,成为量子计算领域的一个标志性里程碑。

一是量子计算性能提高难度很大。要研制一台实用的量子计算机,需要的量子位至少在1000~5000区间内,但目前实现最多的量子位,距离量子计算机的实用化还有很长一段路要走,主要是量子态非克隆原理使得信号不能放大,这就如同只有二极管、没有三极管不能造出经典计算机一样,因此必须在一开始时就制备出很多个量子态完全相同的粒子,并保持较长一段时间,以便在运算的过程中始终保持纠缠,而后同时坍缩到相应的量子态。然而,多粒子纠缠态的制备和维持是一件很困难的事,因为量子很容易受到周围环境的影响,基本上每多制备一位纠缠量子态,技术上的难度就要加倍。

二是量子计算难以适用普遍算法。例如,2013年加拿大D-Wave公司对外宣布D-WaveⅡ研制成功,量子位可达512,随后被谷歌、NASA等几家单位联合购买,但经两家公司测试,均宣称D-WaveⅡ不具备量子加速性能,到底怎么回事?首先要弄清楚一个事实,即并行算法并不是只有在量子计算机上才能进行,在经典计算机上同样能进行,只不过速度要慢很多,发挥不出并行计算的速度优势。D-Wave公司的做法是采用硬件低温超导方法实现量子退火算法,即把原先用软件实现的并行算法改用硬件来实现,因此在D-WaveⅡ上运行量子退火算法,速度比经典计算机快很多,但对于其它量子并行算法,如Shor算法、Grover算法等,却显得无能为力。

一是制定以量子计算技术为核心的量子信息科学发展战略,以长远眼光、超前布局推进量子计算技术加速发展,如提前展开抗量子密码研究、适应算法设计等。

二是合理统筹资源,鼓励竞争。积极有序引入私营企业和资本进入量子计算研究领域,利用各方力量共同攻克量子计算技术难关,推进量子计算技术加速发展。

三是注重基础与人才培养,加强数学、物理、计算机等理工基础学科建设,采取多种途径方式培育量子计算技术方面人才,努力形成科学合理的人才队伍结构,为集智聚力攻克量子计算技术难关提供保证。

量子通信技术

在空间量子通信方面,NASA发布了空间量子实验白皮书,美国喷气推进实验室及加拿大国家航天局都在规划研制新一代量子通信卫星。2019年,新加坡国立大学宣布,该校研究人员与新加坡电信进行合作,研发出一种量子密钥分发(QKD)新技术。QKD与传统加密不同,传统加密依靠数学来保护密钥传输,QKD则通过网络传输光子使通信双方能够达成协议,并生成加密密钥来建立安全的通信通道。随后新加坡电信网络安全研发实验室表示,此项技术极大提高了网络信息安全防护能力,使新加坡成为全球QKD研究中心,实验室将继续开发和微调这项技术,并通过产品工程中心将其商业化。

在量子通信干线工程方面,英国正在建设英国国家量子通信测试网络,目前已经建成连接Bristol、Cambridge、Southampton和UCL的干线网络,并于2018年6月扩展到英国国家物理实验室(NPL)和英国电信公司(BT)Adastral Park研发中心。日本政府提出了以新一代量子通信技术为对象的长期研究战略,并计划在2020年—2030年建成绝对安全保密的高速量子通信网。

一是QKD技术尚无法解决通信安全问题。QKD协议仅是密钥分发协商的一种新机制,供通信双方在数据加密解密时使用,而现代通信要求提供身份验证、数据完整性证明、网络信道建立、访问控制和自动软件更新等多样化安全服务,通信安全更依赖于身份验证和完整性证明,而不仅是加密解密,但目前QKD技术还不能取代传统公钥密码的灵活有效的认证机制。

二是QKD系统在应用方面受到许多限制。相对较短的有效传输范围,以及BB84和其它类似协议的点对点限制,是QKD技术的两个重要弱点,意味着QKD很难与互联网、移动互联网集成和融合。

三是当前QKD系统工程不具有经济效益。QKD本质上是一种纯粹的硬件方案,而硬件的获得和维护相对昂贵,且硬件在升级或发现漏洞时无法进行远程修补以降低维护成本,因此当前QKD不具有经济效益。

一是采用量子中繼技术,扩大通信距离。量子态的非克隆原理给量子中继出了很大难题,使量子中继不能像普通的信号中继一样,把弱信号接收放大后再转发出去。量子中继只能是在光子到达最远传输距离之前接收其信号,先存储起来,再读出这个信号,最后以单光子形式发送出去,因此下步要加强量子中继技术研发。目前有很多方案,包括光量子方案、固态原子方案等。

二是采用星地通信方式,实现远程传输。采用卫星通信后,两地之间的量子通信更加方便快捷。在真空环境中,光子基本无损耗,损耗主要发生在距地面较低的大气中。据测算,只要在地面大气中能通信十几千米,星地之间通信就没有问题。

三是建立量子通信网络,实现多地相互通信。量子通信要想实用化,必须覆盖多地形成网络。目前,国内外建成了多个实用的量子通信网络,下一步发展是扩大节点数,扩展通信距离,形成大覆盖面积的广域网。

此外,在量子加密技术方面,下步重点发展以下内容。

一是发展高性能光量子核心器件。这是保障量子系统安全性的前提,例如量子光源(单光子源、诱骗态光源、纠缠光源等)、量子探测器(单光子探测器、平衡零差探测器等)、量子真随机数发生器。

二是研制远距离、高码率、高稳定、高安全的QKD系统。不断提升QKD系统的成熟度、稳定性、集成化等实用性能指标,同时加强与传统光通信基础设施兼容的技术研究,最终目标是使QKD系统具备低成本量产能力,同时广泛适用于光纤通信网络。

三是进一步完善丰富QKD网络技术。包括底层物理技术、密钥及网络管理技术等,可大幅提升城域、广域QKD网络的安全性、可靠性、可扩展性,以及与传统基础设施兼容性等,是实现全球化覆盖、极限安全性的必要条件。

四是加速QKD技术的标准化研究。主要是构建QKD技术标准体系,并与传统通信行业技术、信息化技术、信息服务等标准体系进行对接,完成QKD技术标准在行业中的推广应用,指导适应行业特点的产品开发、服务体系建设,支撑行业应用推广以及相关应用标准研究。

五是研究抗量子攻击密码算法(PQC),及其与QKD技术的结合应用,两者是量子计算时代信息安全的基石,需要充分融合与应用。

量子雷达技术

2018年9月,英国约克大学研究人员宣布开发出量子雷达样机。11月,俄罗斯无线电技术与信息系统联合企業对采用量子无线电技术的试验雷达进行测试,成功完成探测与跟踪空中目标的任务,据俄媒体释放的信息来看,此次试验的可能是一种完整意义上的量子雷达,标志着俄罗斯迈入了量子雷达研发的先进行列。

一是量子雷达易受气象环境影响。量子雷达归根到底还是作为“光”雷达本身,当前许多光学设备在面对雨、雾、霾等气象环境时,探测能力会大幅下降,量子雷达面临着同样问题。

二是量子雷达距实用化还有差距。量子雷达想要实现工程化商业化,还有很长的路要走,对于F-35、F-22等现实威胁,仍然需要依靠传统雷达中的新体制雷达,并融合数据、缩小体积、提高精度和可靠性,这是比量子雷达更为现实的反隐身手段。

三是核心技术不掌握。目前遇到的主要技术难题是量子信息的调制与解调,微波粒子量子态的纠缠特性、相干性,以及携带量子态信息载体的能量微弱性,都进一步增加了量子信息传输和处理难度。量子芯片目前的质量水平还远达不到要求,这也制约了量子雷达的发展。即便量子芯片技术得到突破,后续还会面临其它问题,比如操作系统和软件的编写等。因此,实现量子信息高效、稳定的空间无线传输,着力提升量子雷达的实际工程化水平,是需深入研究与实践的现实问题。

一是努力攻克核心技术难题,持续推进相关核心技术的发展和应用,如量子信息的调制与解调技术、数据融合技术等,为提升量子雷达性能打牢基础、创造条件。

二是持续推进量子雷达实用化进程,主要是通过提升量子雷达精度,缩小体积,优化量子雷达产品,使量子雷达具有更为广泛的适用范围。

量子测量技术

美国政府一直致力于量子测量领域的产学研深化融合。近年来,麻省理工大学、斯坦福大学、普林斯顿大学等高等院校研究机构在量子测量领域取得了大量原创性和突破性研究成果。此外,Northrop Grumman、Twinleaf、Honeywell、Microchip等众多公司企业也在量子惯性导航、量子时间基准等领域进行研究,已实现小型化、集成化和商品化。

一是系统工程化和实用化有待探索。量子测量技术中,对于微观粒子进行精确的人工调控和状态检测,通常都会对调控和检测设备及其工作环境(温度、磁场、真空度等)提出较为苛刻的要求,使得量子测量设备在体积、功耗、集成度等方面遇到诸多问题,难以实现工程化和实用化。

二是产业化合作和推动力有限。量子测量技术的研究和应用涉及面广,领域和技术背景差异大,因此对量子测量技术项目的投入很难做到兼顾多个领域的体系化和持续性。同时,鉴于不同技术领域中的量子测量技术发展程度和应用前景各不相同,使得研究机构和行业企业之间缺乏沟通合作的平台与机制,合作交流十分有限。

三是技术成果的转化应用机制尚不成熟,如科研项目通常采取发表论文考评和原理样机验证等方式进行考核验收,科研项目的资金支持和投入与最终的实际工程化应用之间没有形成闭环回路,缺乏有效制度机制提供支撑与保障。

一是进一步对关键技术进行研究。集中力量攻克量子测量方面急需解决的技术难题,如量子芯片、原子冷却技术等,不断提升量子测量技术与设备的性能与质量。

二是进一步推进量子测量实用化进程。主要是通过发展量子测量技术,不断优化量子测量产品,使量子测量设备具有更为广泛的适用范围。

三是进一步加强各方力量合作攻关。主要是加强政府、科研机构、行业企业联合助力攻关,共同促进量子测量技术和产业发展。例如,国家层面明确战略部署和演进路线,为成果转化建立体制机制保障,重视人才培养和引进,促进科研机构和行业企业之间以及不同领域之间的交流合作,为量子测量技术研究探索新型合作发展道路。

责任编辑:刘靖鑫