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量子信息技术概览

时间:2020-05-20 分类:军事文摘

孙其峰 庆柯欣夫

量子信息技术是量子物理与信息技术相结合的战略性前沿科技,主要包括量子计算、量子通信、量子雷达、量子探测等专业领域。量子信息技术学迅速发展成为一门新兴交叉学科,主要是以量子力学基本原理为基础,利用量子系统的各种相干特性进行编码、计算和信息傳输的信息科学。近年来,量子信息技术发展势头迅猛,巨大潜力日益显现,其各个细分领域均取得若干重大突破,各国在此领域的竞争也进入白热化。美国、英国、欧盟各国、日本等分别将量子信息技术提升至国家战略高度。在新时期,全球涌现“量子科技”潮,量子技术正从实验室走出来,在传感、通信、信息处理和安全等领域实现前所未有的跨越式发展。量子技术正成为近期科技创新的聚焦点,人类社会正在进入“量子信息技术”时代。

量子计算技术

量子计算理论是对微观世界一种运行机制的描述,是理解和预测物理宇宙性质的最为精确的理论。

量子理论主要遵循以下基本原理。一是波粒二元性,一个量子物体同时具有类波性质和类粒子性质,当系统遵循波动方程时,任何可测量的系统都能够返回一个与其一致的粒子。二是叠加性,一个量子系统能够同时存在两种或更多种状态,被称之为“叠加”或“叠加状态”。三是相干性,当一个量子系统的状态能够被一组复杂的数据所描述时,那么系统的每一种状态都是相干的。对于诸如量子干涉、量子叠加、量子纠缠等量子现象,相干都是必需的。四是纠缠性,纠缠是一些多粒子叠加状态(并非全部)的一种特殊性质,测量一个粒子状态时能够影响到另一个粒子,即使这些粒子相隔很远且无明显的相互作用。五是可测量性,量子系统从根本上改变了测量工作,在其处于一个确定的状态下时,系统处于与所测值相对应的状态。

量子计算机的运算速度远超传统计算机,主要是因为它们的基本原理不同。传统计算机采用的是二进制,它的基本单元是“比特”(bit),用“0”和“1”来表示,例如硬币的正和反两个面或者开关的开和关两个状态。而量子计算机的基本单元却是“量子比特”(qubit)。它不是一个“开关”,而是一个可连续调节的“旋钮”,你可以把它转到任何一个角度。

一个量子比特可以用布洛赫球(在量子力学中,布洛赫球面是二能级量子力学系统纯态空间的一种几何表示方法)来表示。相比于经典比特(信息量的最小度量单位)只有0和1两个点,量子比特的取值则分布在整个球面上,即球面上任意一点都可以是某个量子比特的值。这就不难理解量子计算机为什么能运算这么快了。

目前我们常用的经典计算机,在提取某个需要解决的问题时,需要把所有可能性列举并验证一遍,才能找到正确的信息,这相当于一个拥有双手的人,一个时间段只能做一件事情。而量子并行计算能够直接计算并提取出相应信息,相当于一个“千手观音”,可以同时做2的N次方双手可以做的事情。

量子计算主要有两种方法。一种方法是通过初始化量子系统状态,再运用汉密尔顿的直接控制方式来推进量子态演化,由此得到一个高概率的问题答案,进而得到预期结果。因为汉密尔顿通常是平滑形的,因此量子计算实质上是真正的模拟计算,且不能完全纠正误差。另一种方法叫做“基于门的计算”,类似于当今的经典计算方法,主要是将问题分解为一系列基本的“原始运算”或“门”,对于特定的输入状态会得到一个明确的数据测量结果,这种数据特性意味着这些设计类型能够以系统级的纠错来达成容错目的。当前,主要的量子计算机有模拟量子计算机、基于噪音的中等规模量子计算机、基于门的量子计算机,以及基于门的全纠错量子计算机。

量子化学、优化(包括机器学习)和破解密码是量子计算具有的最被认可的潜在应用价值,这些领域目前仍处于初始阶段。现有算法可能会以尚未预测的方式被改进或实现,而新的算法也可能会随着研究不断深入而出现。因此,除了密码学之外,难以预测量子计算将会带来怎样的影响。

量子计算的最好应用领域就是密码领域,也就是破解密码,这是一个基于数学的应用。对于密码学来说,未来运用Shor算法的量子计算机将对其产生深远影响。

量子模拟被认为是一种具有巨大潜力的具体应用,特别是在量子化学领域。虽然经典的计算方法在许多情况下都是非常有效的,但往往不能预测化学反应过程或区分反应阶段的相关物质,而量子计算机能够在经典计算方法难以解决的情况下,有效解决这些问题。

事实上,比起经典的化学反应速率常数计算法,早期的一种量子计算方法在速度上已经提高了好几个指数量级。量子计算与其他算法能够为人们打开一扇大门,让人们对物质的各种反应和状态有更深的洞察力,这些成果在能量存储、显示器件、工业催化剂以及药物开发等方面具有广阔的商业价值。

近几年,全球范围内在量子计算物理验证方面取得的进展是有目共睹的,并且也吸引了越来越高的市场兴趣和投资活动,但是在解决实际问题方面,国际公认短期内无法实现通用量子计算机的使用。根据赛迪智库电子信息研究所发布的《量子计算发展白皮书(2019)》,量子计算发展预计分为近期、中期与远期3个阶段。

近期的“量子霸权”仅为技术研发初期的一种特有概念形式,距离真正的量子计算机仍有很大距离;中期将利用可控的人造量子系统,实现对复杂物理过程的高效量子模拟;后期研发的通用量子计算机将对大数据、人工智能、密码破译等领域产生颠覆性影响,并且量子计算机与经典计算机将实现功能互补。

BCG预测量子计算在25年内将经历3个发展阶段,最终走向成熟。其中,第一个阶段是2018年—2028年,工程师们将研发出可用于低复杂程度的量子模拟问题的非通用量子计算机;第二个阶段是2028年—2039年,邏辑量子比特数量将扩展到50多个,并实现所谓的“量子霸权”,更快速地执行特定算法的应用程序,主要包括分析模拟、研发和软件开发等,创造巨大的市场潜力;第三阶段为2031年—2042年,量子计算机将在高级模拟、搜索和优化的商业应用方面取得比经典方法更有显著优势的规模。由于摩尔定律的扩展,以及量子计算在某些应用中超过二进制计算的阈值,第二阶段和第三阶段量子计算机之间有相当大的重叠。作为一个总体轨迹,BGC预测量子计算将在2030年左右出现快速增长。

量子通信技术

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是21世纪发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。

量子通信与传统通信技术相比,具有如下主要特点和优势。一是时效性高。量子通信的线路时延近乎为零,量子信道的信息效率相对于经典信道的信息效率高几十倍,传输速度快。二是抗干扰性能强。量子通信中的信息传输不通过传统信道,与通信双方之间的传播媒介无关,不受空间环境的影响,具有完好的抗干扰性能。三是保密性能好。根据量子不可克隆定理,量子信息一经检测就会产生不可还原的改变,如果量子信息在传输中途被窃取,接收者必定能发现。四是隐蔽性能好。量子通信没有电磁辐射,第三方无法进行无线监听或探测。五是应用广泛。量子通信与传播媒介无关,传输不会被任何障碍阻隔,量子隐形传态通信还能穿越大气层。因此,量子通信应用广泛,既可在太空中通信,又可在海底通信,还可在光纤等介质中通信。

光量子通信主要基于量子纠缠态的理论,使用量子隐形传态的方式实现信息传递。根据实验验证,具有纠缠态的两个粒子无论相距多远,只要一个发生变化,另外一个也会瞬间发生变化。利用这个特性实现光量子通信的过程如下:事先构建一对具有纠缠态的粒子,将两个粒子分别放在通信双方,将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量,则接收方的粒子瞬间发生坍塌,坍塌为某种状态,这个状态与发送方的粒子坍塌后的状态是对称的,然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方,接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换(相当于逆转变换),即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

量子通信技术是融合了现代物理学和光通信技术研究的成果,由物理学基本原理来保证密钥分配过程的无条件安全性。量子密钥分发根据所利用量子状态特性的不同,可以分为基于测量和基于纠缠态两种。基于纠缠态的量子通信在传递信息的时候利用了量子纠缠效应,即两个经过耦合的微观粒子,在一个粒子状态发生变化时,另一个会立刻发生相应的变化。因此,量子通信可将某信息的量子态安全传递到另外一个地方从而实现信息传递(量子隐形传态),或利用“不可分割、不可复制”的量子作为密钥实现点对点安全通信(量子密钥分发),为经典通信增加一把量子密码锁,保障信息安全传递。

量子通信是面向未来的全新通信技术,在安全性、高效性上具有经典通信无法比拟的优势。如今,发展量子通信技术已经成为事关提升国家信息技术水平、增强网络空间安全保障能力的战略事项。在相关产业背景下,量子保密通信,尤其是量子密钥分发网络及其融合应用部署,已成为国际行业竞争的战略技术热点。

量子通信所具有的无条件安全性,可以运用在军事领域中,用来传递各个区域或者各个国家之间的信息,保证通信安全。根据量子通信具有的突出优点和技术现状,基于光纤信道的量子通信技术已趋于成熟,可应用在构建通信密钥生成与分发系统等方面。

量子通信距普及应用时日久远,主要是如果要进行量子通信,需要双方都要有一台复杂的发送/接收设备,并且只能进行点对点的通信。另外,还需要防止量子保密通信被恐怖分子和间谍所利用,因为由此造成的损失是无法估量的。所以,即使量子通信设备像今天的宽带上网设备一样便宜好用了,量子通信也会被限制使用。

         量子雷达技术

量子雷达是量子度量学的一个重要研究方向,其本质是将光量子作为光频电磁波微观粒子对目标进行探测,利用它不同于常规雷达电磁波的物理特性,提升对目标的探测性能,同时提高雷达的抗干扰和抗欺骗能力。

量子雷达将量子信息技术引入经典雷达探测领域,解决了经典雷达在探测、测量和成像等方面的技术瓶颈,增强了雷达对目标的检测性能,提高了测距、测角分辨率及成像分辨率。量子雷达具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、反隐身能力强、不易被敌方电子侦察设备发现和易于成像等优点,未来可进一步应用于导弹防御和空间探测,具有极其广阔的应用前景和重大现实价值。

量子雷达是利用量子现象感知目标状态并获取信息的一种特种传感设备。它将量子信息调制成雷达信号,通过发送和接收量子信号来探测目标。从广义上讲,任何利用电磁波的量子效应探测远距离目标的雷达都可以被视为量子雷达。

量子雷达的概念是量子信息理论在遥感探测领域的具体应用,通过对量子不同物理特性的观测和测量,可以构成不同原理和形式的量子雷达。根据系统采用的量子效应的不同,可以把量子雷达分成3种基本类型,即发射非纠缠态光子的量子雷达、发射量子态光并与接收机中的光量子纠缠的量子雷达、发射经典态光但使用量子光探测提升性能的量子雷达。

量子雷达可以探测、识别隐身武器,被认为是未来最强大的反隐身手段之一。同时,由于对电磁波的依赖大为减少,量子雷达可有效避开反辐射导弹的攻击,进一步改变现有导弹的作战机理和作战模式,促使战场作战形态向“量子化”转变。

海基和陆基量子雷达可有效监测敌方动向和保护雷达基地免受攻击,及时发现隐身目标,削弱敌隐身飞机威胁。空基量子雷达可以提前预警、提前攻击,从而极大的提高战机的机动性和生存率。

量子雷达技术将成为未来战争的颠覆者,其可用于探测和识别传统的射频隐身平台和武器系统,将在战场人工智能、军事大数据、战场气象预报和智能作战装备学习中发挥重要作用。

目前,量子雷达仍处于研究和探索阶段。美国国防高级研究计划局先后提出开展“量子传感器计划”和“量子辅助传感和读出”等项目,对量子雷达技术持续进行探索。同时,美国海军研究实验室、空军研究实验室等机构也相继开展量子雷达研究工作。

随着量子雷达技术不断成熟,未来部署到地面和水面作战舰艇的量子雷达,可对几乎所有空中目标进行探测,并能持续跟踪目标行踪。可以想见,基于量子雷达技术的各种雷达将在战略预警、区域防空和空中侦察以及精确打击方面得到广泛应用,成为未来战场上反隐身作战的“先行者”。

其它量子信息技术

量子测量基于微观粒子量子态精密测量,完成被测系统物理量的执行变换和信息输出,在测试精度、灵敏度和稳定性等方面与传统测量技术相比具有明显优势,其在科学研究、国防建设等诸多领域有着重大意义。量子测量涵盖电磁场、重力应力、方向旋转等物理量,应用范围涉及基础科研、空间探测、材料分析、惯性制导、地质勘测、灾害预防等诸多领域。量子测量技术与传统产业的结合将产生全新技术变革,部分重点领域有望率先推广应用。以量子目标识别、量子重力测量、量子时间基准和量子磁场测量等为代表的一批新型量子测量技术,在国防建设和军事应用领域极具战略价值,受到世界各国政府和研究机构的重视,在解决工程化和实用化等问题后,有望在关系国家安全和国计民生的重点领域率先应用。

量子导航是基于各种量子效应和微加工技术的惯性导航系统。英国帝国理工学院的科学家研发了一种新的量子导航设备,无须GPS,仅靠测量冷原子的量子特性,就可得到精确的设备位置信息。研究人员利用激光将原子冷却到极低温度,制造了所谓的量子加速度计或者原子干涉仪,通过测量过冷原子的运动,从而持续不断地获得整个设备的位置信息,不再依赖外部的GPS信号。目前,这种导航设备由于体积太大,只能安装在船上,用于海上航行时的导航。小型化量子导航设备的定位、定姿、定时等导航信息可广泛应用于预警机、无人机、潜艇、导弹、直升机等装备,可有效提升战斗力,改变装备的使用模式与作战模式。例如,量子罗盘应用于核潜艇可使其摆脱对卫星导航系统的依赖,实现量子精确定位,为发射导弹提供服务,对于反潜也有广泛的应用前景。未来,要努力攻克量子芯片、原子冷却技术等急需解决的技术难题,不断提升量子导航性能和质量;同时,进一步推进量子导航实用化进程,使量子导航设备具有更为广泛的适用范围。

量子成像又称为双光子关联成像、强度关联成像等,是利用量子纠缠现象发展起来的一种新型成像技术。由于微观客体的关联具有非局域的性质,可以延伸到很远的距离,在这种纠缠状态下即使分布于空间两个分离点的粒子也表现出相同的性质,如电荷、频率、极化等。在军事和科学应用需求的牵引下,国内外在可见光、红外波段主/被动强度关联遥感成像等研究方面竞争激烈,同时尝试将其应用于对地观测领域,以突破光学遥感和微波遥感的性能局限。量子成像比常规的激光全息成像更方便。但是,量子成像需要的成像时间更长,一般需要几秒钟时间,不适于快速成像的场合,而且就目前的技术而言,产生大量的纠缠光子对还有困难。不过,随着量子信息技术的发展,这些問题都有望解决,因此量子成像将成为成像领域中的一个重要分支。要在红外波段获得高分辨率图像很难,使用量子成像却能很容易获得成像效果良好的图像,所以量子成像技术将以其高清晰的图像在航空探测、军事侦察、远红外成像等领域发挥重要作用。

责任编辑:刘靖鑫