量子計算的優(yōu)勢

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量子計算的優(yōu)勢范文第1篇

doi:10.11772/j.issn.10019081.2013.07.1816

摘 要：

針對傳統(tǒng)Epidemic的性能缺陷，提出了基于控制機制的自適應(yīng)Epidemic 路由(AdEPI)算法。AdEPI算法采用受控洪泛機制和信息副本控制等機制，并引入信息生存時間和自適應(yīng)控制策略，在確保有較高到達率的條件下，取得了峰值傳輸控制、帶寬資源占用、緩存利用和時延等方面的綜合平衡。在VanetMobiSim仿真平臺上，對AdEPI算法進行了VC++6.0編程實現(xiàn)和仿真，并與經(jīng)典Epidemic算法進行了性能對比。仿真結(jié)果證實，AdEPI算法與Epidemic比較，付出較小的時延代價，卻具有了帶寬占用減少27.62%，峰值平均降低15.19%，緩存利用率提高92.14%等優(yōu)勢。AdEPI算法在上述三個方面的性能提升，具有工程意義和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：稀疏車輛Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)Epidemic路由；受控機制；延遲容忍網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼:A

英文標題

Adaptive epidemic routing algorithm based on controlled mechanism for sparse vehicle Ad Hoc networks



英文作者名

SU Chunbo1,2，XU Jiapin1*

英文地址(

1. College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China;

2. School of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu Sichuan 610059, China英文摘要)

Abstract：

量子計算的優(yōu)勢范文第2篇

該機器的名字也叫“D-波”，D-波公司宣稱這是一臺量子計算機，不管它是否真的利用量子效應(yīng)來運行，都是業(yè)內(nèi)專家們爭論的主題。

只是模擬設(shè)備

在“D-波”中是用一個個超導(dǎo)線路來模擬量子或原子自旋，系統(tǒng)必須冷卻到接近絕對零度。自旋有“上”自旋、“下”自旋和“上下疊加”自旋。在“D-波”線路中，用電流方向來模擬自旋。

“D-波”是否真的在用量子效應(yīng)運行？蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)理論物理學(xué)院教授馬提亞?特羅亞和南加州大學(xué)洛杉磯分校的同事一起，對那里的量子系統(tǒng)進行了測試。經(jīng)過測試，研究小組得出的結(jié)論是不能一概而論：一方面，他們證明了“D-波”確實是利用量子效應(yīng)運行的；而另一方面，研究人員也說：“‘D-波’只是一個模擬設(shè)備，一臺用于解決最優(yōu)化問題的樣機。對它更準確的描述是，一臺可編程的量子模擬實驗機。”特羅亞說：“毫無疑問‘D-波’不是一臺通用量子計算機。”

量子效應(yīng)持續(xù)極短

為了對“D-波”進行測試，研究人員寫了數(shù)千個復(fù)雜性不等的問題，把每個問題在3個系統(tǒng)上各運行了一千次。一個系統(tǒng)是“D-波”，另兩個是在傳統(tǒng)計算機上進行的最優(yōu)化問題模擬程序：一個考慮量子效應(yīng)，另一個不考慮。對于每個任務(wù)，研究人員記錄下各系統(tǒng)給出正確答案的頻率。結(jié)果“D-波”的表現(xiàn)和考慮了量子效應(yīng)的模擬程序相同，而有別于沒考慮量子效應(yīng)的模擬程序。

面對這樣的結(jié)果，研究人員也感到吃驚，因為“D-波”的量子相干持續(xù)時間極為短暫，只有幾十億分之一秒，而通常要解決一個最優(yōu)化問題需要的時間是這一時間的500倍。大部分專家認為，“D-波”的量子效應(yīng)簡直不能發(fā)揮任何作用。不過特羅亞解釋說，“讓量子效應(yīng)在所有時間都保持相干也是沒有必要的”。

速度不比傳統(tǒng)計算機快

人們在考慮建造量子計算機時，一個主要原因就是它將來可能大大提高計算速度，因此研究的另一個結(jié)論尤為重要：“D-波”的速度并不比一臺傳統(tǒng)計算機更快。

量子計算的優(yōu)勢范文第3篇

美國：列入國家戰(zhàn)略實現(xiàn)系列突破

在美國，對量子通信的理論和實驗研究開始得較早，并最先被列入到國家戰(zhàn)略、國防和安全的研發(fā)計劃。

上世紀末，美國政府便將量子信息列為“保持國家競爭力”計劃的重點支持課題。而隸屬于政府的美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）則將量子信息作為三個重點研究方向之一。隨后，美國加州理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院和南加州大學(xué)聯(lián)合成立了量子信息與計算研究所，直接歸美國軍隊研究部門管轄，從屬于美國國防部高級研究計劃局超大規(guī)模計算工程系統(tǒng)。體制上的規(guī)劃與布局，為各機構(gòu)與部門間的研發(fā)鋪平了道路。

早在1989年，美國IBM公司在實驗室中以10bit/s的傳輸速率成功實現(xiàn)了世界上第一個量子信息傳輸，雖然傳輸距離只有32公分，但卻拉開了量子通信實驗研究的序幕。1994年，美國國防高級研究計劃局便開始著手，用3到5年的時間全面推進量子通信技術(shù)方面的研究，而且已經(jīng)通過軍隊實施了相應(yīng)方式的向戰(zhàn)場和向全球傳輸報文能力的量子通信計劃。

在大量科研資源與研發(fā)力量投入的情況下，美國在量子通信研究方面取得了一系列的突破。2000年，Los Alamos國家實驗室宣布，他們于全日照條件下實現(xiàn)了1.6公里自由空間的量子密鑰分發(fā)，使量子通信向?qū)嵱霉こ袒~進了一大步。不僅如此，在美國國防部2013年至2017年科技發(fā)展“五年計劃”中，“量子信息與控制技術(shù)”已被列為未來重點關(guān)注的六大顛覆性研究領(lǐng)域，同時將IBM、美國國防部高級研究計劃局、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國洛克希德馬丁公司和日本NTT公司列為該領(lǐng)域的重要研究機構(gòu)；美國國防部支持的“高級研究與發(fā)展活動”（ARDA）計劃到2014年將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長距離光纖網(wǎng)絡(luò)。

如今，量子技術(shù)已經(jīng)成為美國軍方六大技術(shù)方向之一，即對未來美軍的戰(zhàn)略需求和軍事任務(wù)行動能產(chǎn)生長期、廣泛、深遠、重大的影響。量子通信產(chǎn)業(yè)已滲透到美國國家發(fā)展的各個層面，包括國防、外交、經(jīng)濟、信息、社會等不同領(lǐng)域的內(nèi)容。

當前，以美國為代表的世界主要軍事強國關(guān)注的量子科技發(fā)展動向主要涉及量子通信、量子計算及量子密鑰等領(lǐng)域。美國國防部高級研究計劃局啟動了多項量子通信方面的相關(guān)研究計劃，對其開展了廣泛探索。可以說，量子通信技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景。

在量子通信領(lǐng)域未來發(fā)展規(guī)劃下，美國Los Alamos國家實驗室正在創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng)，同時美國非常重視量子計算機領(lǐng)域的技術(shù)拓展，谷歌、微軟、IBM都已投入研究量子計算機技術(shù)，以量子計算機技術(shù)研究為突破點，延伸到物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)領(lǐng)域，形成規(guī)模優(yōu)勢。

歐盟：聯(lián)合攻關(guān)共建量子互聯(lián)網(wǎng)

提前“操練”，打牢根基，政策法規(guī)護航，并貫穿到與國家利益、國家安全以及國家對內(nèi)對外戰(zhàn)略影響相關(guān)的不同環(huán)節(jié)，這是歐盟在量子通信領(lǐng)域發(fā)展方面采取的主要手段。

早在20世紀90年代，歐洲就意識到量子信息處理和通信技術(shù)的巨大潛力，充分認定其高風(fēng)險性和長期應(yīng)用前景，從歐盟第五研發(fā)框架計劃（FP5）開始，就持續(xù)對泛歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點支持。

緊接著，歐盟了《歐洲研究與發(fā)展框架規(guī)劃》，專門提出了用于發(fā)展量子信息技術(shù)的《歐洲量子科學(xué)技術(shù)》計劃以及《歐洲量子信息處理與通信》計劃。與此同時，還專門成立了包括英國、法國、德國、意大利、奧地利和西班牙等國在內(nèi)的量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)。

2008年，歐盟《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報告》，提出歐洲在未來五年和十年的量子通信發(fā)展目標。同年9月，歐盟了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白皮書，啟動量子通信技術(shù)標準化研究，并聯(lián)合了來自12個歐盟國家的41個伙伴小組成立了“基于量子密碼的安全通信”（SECOQC）工程。這是繼歐洲核子中心和國際空間站后又一大規(guī)模的國際科技合作。自1993年開始，歐盟就加強了對量子通信技術(shù)領(lǐng)域的研究和開發(fā)，在理論研究和實驗技術(shù)上均取得了重大突破，涉及的領(lǐng)域包括量子密碼通信、量子遠程傳態(tài)和量子密集編碼等。利用歐盟國家的聯(lián)合技術(shù)力量，在多個研究機構(gòu)之間形成有效的合作體制，是歐洲量子通信領(lǐng)域一直走在前列的“制勝法寶”。

在量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)的框架下，1993年至2011年期間，英國、瑞士、奧地利、德國、法國、瑞典等國的科學(xué)家曾連續(xù)創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)、量子密碼通信、太空絕密傳輸量子信息及量子信息存儲等一系列的根本性突破，為下一步量子互聯(lián)網(wǎng)的全面建設(shè)鋪平道路。

從2007年至2014年，歐盟開始致力于量子密碼通信和量子密集編碼研究，實現(xiàn)了量子漫步、太空和地球之間的信息傳輸，為衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面站之間進行量子通信提供了可能性。

發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標就是為了構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。2008年以來，歐盟加緊推進星載量子通信計劃。一場世界范圍的技術(shù)與才智競賽已悄然拉開帷幕。歐洲不應(yīng)落后，更不能讓人才和知識流失。于是，就在今年4月19日，歐盟委員會正式宣布，計劃啟動總額10億歐元的量子技術(shù)旗艦項目，目標是建立極具競爭性的歐洲量子產(chǎn)業(yè)，包括量子通信、量子計算及量子測量等，以增強歐洲在量子研究方面的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力和卓越性。

日本：緊跟大勢有所作為

日本政府和科技界一貫重視量子科技領(lǐng)域的研發(fā)攻關(guān)，并將量子技術(shù)視為本國占據(jù)一定優(yōu)勢的高新科技領(lǐng)域進行重點發(fā)展、重點引導(dǎo)。

美國和歐盟在量子通信領(lǐng)域的一連串突飛猛進，使日本備感形勢緊迫。

早在2000年，日本郵政省就將量子通信技術(shù)作為一項國家級高技術(shù)列入開發(fā)計劃，預(yù)備10年內(nèi)投資400多億日元，主要致力于研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術(shù)，并專門制訂了跨度為10年的中長期定向研究目標，計劃到2020年使保密通信網(wǎng)絡(luò)和量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)達到實用化水平，最終建成全國性高速量子通信網(wǎng)，實現(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用上的飛躍，在競爭中占據(jù)先機。

在當年題為《創(chuàng)造面向21世紀劃時代的量子信息通信技術(shù)》的報告中曾明確指出，國家應(yīng)該充實及完善該領(lǐng)域的研究開發(fā)體制， 并促進民間企業(yè)和大學(xué)等進行研究開發(fā)。在接到該報告書后，郵政省正式啟動了研究和開發(fā)量子信息通信的活動。該技術(shù)的實用化預(yù)計會發(fā)生在2030年至2100年期間。

盡管日本對量子通信技術(shù)的研究晚于美國和歐盟，但相關(guān)研究發(fā)展迅速。在國家科技政策和戰(zhàn)略計劃的支持和引導(dǎo)下，日本科研機構(gòu)的研發(fā)積極性高漲，投入了大量研發(fā)資本積極參與和承擔(dān)量子通信技術(shù)的研究工作，實際地介入到量子通信技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)當中。

數(shù)年前，日本提出了以新一代量子通信技術(shù)為對象的長期研究戰(zhàn)略，并計劃在2020～2030年間建成絕對安全保密的高速量子通信網(wǎng)。目前，日本每年投入2億美元，規(guī)劃在5至10年內(nèi)建成全國性的高速量子通信網(wǎng)。不僅如此，日本的國家情報通信研究機構(gòu)（NICT）也啟動了一個長期支持計劃。日本國立信息通信研究院也計劃在2020年實現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。

高強度的研發(fā)投入，“產(chǎn)官學(xué)”聯(lián)合攻關(guān)的方式極大推進了研究開發(fā)，推動了量子通信的關(guān)鍵技術(shù)如超高速計算機、光量子傳輸技術(shù)和無法破譯的光量子密碼技術(shù)的攻關(guān)和實用化、工程化探索，在量子通信專利申請上成績顯著。比如NEC、東芝、日本國立信息通信研究院、東京大學(xué)、玉川大學(xué)、日立、松下、NTT、三菱、富士通、佳能、JST等，各大企業(yè)和科研機構(gòu)在量子通信領(lǐng)域的專利申請量居全球領(lǐng)先，專利質(zhì)量較高，技術(shù)水平突出。

就目前而言，在量子通信領(lǐng)域的研究優(yōu)勢上，日本主要集中在延長量子通信傳輸距離、提高信息傳輸速度和改進量子通訊的加密協(xié)議等方面。

量子計算的優(yōu)勢范文第4篇

量子計算機（Qantum computer），遵循量子力學(xué)的規(guī)律，進行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運算，是存儲和處理量子信息的裝置。如果裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法，那這個裝置就是我們下面要談的量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，研究可逆計算機的目的就是為了解決計算機中的能耗問題。

只聞其名，量子計算機，大概就能猜到它是實現(xiàn)量子計算的機器。要說清楚量子計算，首先要先看經(jīng)典計算。經(jīng)典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行變換的機器，其算法是由計算機的內(nèi)部邏輯電路來實現(xiàn)的。1920年，奧地利人薛定諤、愛因斯坦、德國人海森伯格和狄拉克共同創(chuàng)建了一個前所未有的新學(xué)科——量子力學(xué)。量子力學(xué)的誕生為人類未來的第四次工業(yè)革命打下了基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一項新技術(shù)，那就是量子計算機。量子計算機的技術(shù)概念最早由理查得·費曼提出的，后來經(jīng)過若干年的研究，這項技術(shù)已初見成效了。

2013年5月23日，Google與NASA（美國宇航局）合作建立了一個實驗室，其目的就是研究量子計算機。Google與高校空間研究協(xié)會（與NASA有密切合作的非盈利組織）購買了量子計算機，開始進行量子計算的研究工作。

量子計算與傳統(tǒng)計算的區(qū)別

傳統(tǒng)計算機利用幾百萬個電子晶體管進行數(shù)字運算，將0和1作為基本元素。量子計算則完全不同，它更有彈性，不再使用二進位代碼，取而代之的是量子位元，又叫量子比特，它可以同時代表0和1。

傳統(tǒng)計算機在0和1的二進制系統(tǒng)上運行，但量子計算機要更為強大，它可以在量子比特上運算，可以計算0和1之間的數(shù)值。假想一個放置在磁場中的原子，像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，它的旋轉(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下指。按常識理解原子的旋轉(zhuǎn)可能向上，可能向下，但不可能既向上又向下。但在量子世界里，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，它一個向上轉(zhuǎn)的原子和一個向下轉(zhuǎn)的原子的總和，即每一種物體都可以被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來描述。

換一種表述，傳統(tǒng)計算機只能使用“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)來控制電流，而量子計算機具有“開”和“關(guān)”同時存在的第三種狀態(tài)，這是量子世界不同于粒子世界的特性。使用量子計算機能并行處理更多的信息，計算速度遠超傳統(tǒng)計算機。要進行量子計算并不容易，但在某些傳統(tǒng)計算機容易失敗的領(lǐng)域，它卻可以充分發(fā)揮優(yōu)勢。

量子計算機依賴的是量子機制來提高其計算速度，量子機制決定了所有物質(zhì)和能量的行為表現(xiàn)，即使只利用量子機制的簡單特性，構(gòu)造出的計算機表現(xiàn)就遠遠超出任何一臺超級電子計算機。加拿大公司D-Wave表示，它的“Orion”只是傳統(tǒng)計算機的補充和增強，并不是要取代誰。換句話說，量子計算機還沒有發(fā)展到可以“獨領(lǐng)”的地步。

用一個簡單的例子來描述量子計算機和傳統(tǒng)計算機的差別：在一個虛擬界面上存在山岡和低谷，目標是找到最低點。傳統(tǒng)計算機是從一個點開始尋找，不斷搜索，有系統(tǒng)地搜索：是這里嗎？這里呢？查找的過程很慢，除非有無限的時間和無窮的耐心，否則就只能選擇“足夠好”。現(xiàn)在的答案固然不錯，但新的、更低的點也許在幾次計算后才出現(xiàn)。相比量子計算機的效率就要高得多了，因為它可以同時用多個標準來評估，從而大大改進計算的效率。

量子計算機無法替代傳統(tǒng)計算機

IBM和微軟等許多公司都在研究量子計算技術(shù)。D-Wave是唯一銷售量子計算機硬件的廠商，公司表示，在少數(shù)復(fù)雜問題上，量子計算機的速度要比傳統(tǒng)計算機快5萬倍。但需要注意的是，“高速”是有前提的，因此所謂的高速是受條件限制的。如果你只想發(fā)個郵箱、聽首音樂，量子計算機不會讓你覺得有什么太大的區(qū)別，但要完成復(fù)雜任務(wù)就不同了。Google Research工程主管表示，希望量子計算機可以讓研究人員更有效率地工作，更準確地為一切研究建模，包括語音識別、網(wǎng)絡(luò)搜索、蛋白質(zhì)折疊等。

因此，量子計算機不會很快淘汰傳統(tǒng)計算機，它有自己的限制，而且它很難建造，價格很高。到目前，量子計算機大多是基于理論的，量子人工實驗室設(shè)立的目的之一就是推動理論的發(fā)展。它的目標是將理論用于實踐，解決現(xiàn)實問題，為真正的量子設(shè)備編寫代碼。

Google為什么對量子計算機感興趣

Google對新技術(shù)一直很癡迷，社交網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、自駕汽車，現(xiàn)在又是量子計算機。這些項目的相似之處，就是它們都可以強化公司的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。

Google希望利用量子計算更好地理解人類的語音提問，這項技術(shù)不只可以用在搜索引擎上，還可以用在移動應(yīng)用上，如Google Now和Google Maps。

Google稱：“我們已經(jīng)開發(fā)一些量子機器學(xué)習(xí)算法。當中一些可以提高識別能力，比如在移動設(shè)備電源不足時識別。一些可以處理高度污染的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實世界中，許多時候數(shù)據(jù)被貼錯標簽。我們還可以從中學(xué)習(xí)到一些經(jīng)驗，比如，純粹使用量子計算不會得到最好的結(jié)果，將量子計算與傳統(tǒng)計算結(jié)合會更好。”

在谷歌的量子人工智能實驗室當中，量子計算機會先進行機器學(xué)習(xí)，這是電腦學(xué)習(xí)的信息模式，可以提高它們的輸出“吞吐量”。然后，量子計算機要負責(zé)進行個性化的互聯(lián)網(wǎng)搜索和以GPS數(shù)據(jù)預(yù)測交通的擁堵情況。另外，還要進行面部或語音的識別、生物行為，或者是龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)管理工作。

Google官方博客表示，如果世界需要建立有效的環(huán)境政策，就需要建立更好的模型來描述全球的天氣和氣候，否則就不會有令人信服的證據(jù)。

谷歌已經(jīng)為量子計算機修改了機器學(xué)習(xí)算法，這種算法原本由D-Wave系統(tǒng)公司設(shè)計。D-Wave向洛克希德·馬丁公司出售了首臺商用量子計算機，洛克希德公司官員表示，計算機會被用于測試和測量工作，如噴氣飛機的設(shè)計或衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性。

量子計算機的廣闊前景

近年來，由于社會對高速、保密、大容量的通訊和計算的需求，促進了量子信息、量子計算理論和實驗的迅速發(fā)展。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計算機。

2009年11月，世界首臺量子計算機正式在美國誕生，這一量子計算機由美國國家標準技術(shù)研究院研制，可處理兩個量子比特的數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)計算機中的0和1比特，量子比特能存儲更多的信息，其性能大大超越傳統(tǒng)計算機。

2010年3月，德國某研究中心發(fā)表公報稱其超級計算機成功仿真42位量子計算機。在此基礎(chǔ)上，研究人員首次可以仔細地研究高位數(shù)量子計算機的系統(tǒng)特性。

IBM的科學(xué)家在量子計算方面取得重大突破，2012年1月完成系列量子計算試驗，在絕對零度條件下證實了通過量子技術(shù)一秒鐘可以進行億萬次運算。傳統(tǒng)計算機數(shù)據(jù)位非0即1，而一個量子可以擁有0、1以及同時0與1三種狀態(tài)。這項技術(shù)突破允許科學(xué)家在初步計算中減少數(shù)據(jù)錯誤率，同時在量子位中保持量子機械屬性的完整性。

量子計算機可以進行大數(shù)的因式分解和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對進行量子通訊的實驗中發(fā)現(xiàn)，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息。正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實現(xiàn)的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。此外量子計算機還可以用來做量子系統(tǒng)的模擬，一旦有了量子模擬計算機，就無需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在傳統(tǒng)計算機上做數(shù)值計算，便可精確地研究量子體系特征。

量子計算的優(yōu)勢范文第5篇

關(guān)鍵詞：墨子號;量子衛(wèi)星;量子糾纏;量子密鑰;物理學(xué)

中圖分類號： TN219 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）30-100-2

0 引言

物理學(xué)是研究物質(zhì)運動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的一種自然科學(xué)，研究對象大至宇宙，小到基本粒子的質(zhì)量、運動形式和規(guī)律等內(nèi)容。量子衛(wèi)星可謂是物理學(xué)中極大的天體物理和極小的量子力學(xué)理論的綜合應(yīng)用，意義重大。下面我想從2016年8月16日我國發(fā)射的全球首科量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”來談?wù)剬ξ锢韺W(xué)中量子物理發(fā)展的一些思考。

1 “墨子號”的由來

作為全球三大古老邏輯體系之一的墨家邏輯中的經(jīng)典著作《墨經(jīng)》中提出的“光學(xué)八條”中描述了墨子對光線的認識，并成功設(shè)計了樸素的小孔成像實驗，奠定了中國光學(xué)研究的基礎(chǔ)，所以我國發(fā)射的全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星被命名為“墨子號”以紀念墨子先生。

2 為何發(fā)展量子通信技術(shù)和通訊優(yōu)勢

我們知道，20世紀初，量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識剛剛被奠定的時候，它帶給人們一種啟示，雖然它會時常使人感到困惑，因為量子力學(xué)在微觀世界里已經(jīng)打敗了經(jīng)典力學(xué)古老的確定論，反復(fù)的討論可能性、可能結(jié)果的疊加。

我們假設(shè)一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子，所以我們常用量子去指一個不可分割的基本個體，例如“光的量子”是光的基本單位光子。當然，所有可量子化的物理量其最小單位是特定的，而不是任意值。20世紀的前一半時期許多物理學(xué)家將量子力學(xué)視為了解和描述自然的基本理論，發(fā)展出了量子光學(xué)、量子計算等不同專業(yè)領(lǐng)域來研究。

量子計算領(lǐng)域利用量子效應(yīng)來控制和處理信息，它具有驚人的潛力，因為經(jīng)典數(shù)據(jù)的二進制“比特”一次只能取一個值，而量子的“量子比特”能夠在給定范圍內(nèi)代表任意及所有可能的取值：在被測量以前，它以所有的可能太的“疊加”形式存在。量子計算特別適合用于解決今天只能依靠“強力”處理器能力來解決的特殊問題―比如，幾十個量子比特陣列就能夠存儲超過太字節(jié)（萬億）的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)量。[3]

因此發(fā)展量子通信技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯，前景廣闊。

3 “墨子號”工作的理論基礎(chǔ)

1917年G.Vernam提出了“一次一密”（One-Time Pad）密碼體制[1][2]，C.E.Shannon于1949年用信息論證明了該密碼體制是無條件安全的[1][2]，這是目前唯一被證明是絕對安全的密碼體制。

由于量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，如果能夠在技術(shù)上實現(xiàn)糾纏光子再穿透整個大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實現(xiàn)全球化的量子通信。此次發(fā)射的量子科學(xué)實驗衛(wèi)星完全由我國自主研發(fā)，突破了衛(wèi)星平臺、有效載荷、地面光學(xué)收發(fā)站等一系列關(guān)鍵技術(shù)，將在軌開展量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、星地告訴相干激光通信等科學(xué)實驗。

潘建偉研究小組在2003年開始研究自由空間量子通信，他們在實驗點制備出成對的糾纏光子，再利用兩個專門設(shè)計加工的發(fā)射望遠鏡將容易發(fā)散的細小光束“增肥”后向東西相距13公里的兩個實驗站送出，兩個接收端用同樣型號的望遠鏡收集。

量子衛(wèi)星和地球通信是雙向的。衛(wèi)星和地面站都擁有發(fā)射端和接收端。發(fā)射端包含單光子光源和光束整形系統(tǒng)，接收端包含單光子探測器和成像系統(tǒng)。光束整形系統(tǒng)和成像系統(tǒng)把點光源變成平行光并將其匯聚到焦點上。發(fā)射端和接收端是靠激光聯(lián)系，它們之間有個大氣層――它是目前較大的麻煩。

經(jīng)過研究人員的種種努力，在如此遠距離的傳送中，雖有許多糾纏光子衰減，但仍有相當比例的“夫妻對”能存活下來并有旺盛的生命力，經(jīng)單光子探測器檢測，分居?xùn)|西兩地的光子“夫妻對”即使相距遙遠仍能保持相互糾纏狀態(tài)，攜帶信息的數(shù)量和質(zhì)量能完全滿足基于衛(wèi)星的全球化量子通信要求。

在此基礎(chǔ)上，研究小組進一步利用分發(fā)的糾纏光源進行絕對安全的量子保密通信。13公里不僅是目前國際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞量子密鑰分發(fā)的最大距離。

4 我國量子通訊發(fā)展歷史和量子衛(wèi)星的前景展望

英國《自然》雜志中關(guān)于“量子太空競賽”中指出：“在量子通信領(lǐng)域，中國用了不到十年的時間，由一個了不起的國家發(fā)展成現(xiàn)在的世界勁旅，中國將領(lǐng)先于歐洲和北美......”可見我國量子通訊發(fā)展速度飛快。1995年，中科院物理所吳令安小組在實驗室內(nèi)完成了我國最早的量子密鑰分發(fā)實驗演示。2000年，該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發(fā)演示實驗。2002年至2003年間，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Gisin小組和我國華東師范大學(xué)曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。2006年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實驗，2009年，該團隊又在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200公里。2013年，潘建偉團隊又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他們成功開發(fā)了國際上迄今為止最先進的室溫通信波段單光子探測器，并利用該單光子探測器在國際上首次實現(xiàn)了測量器件無關(guān)的量子通信，成功解決了現(xiàn)實環(huán)境中單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實條件下量子通信系統(tǒng)的安全性。2016年8月16日我國發(fā)射的全球首科量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”這既是中國首個、也是世界首個量子衛(wèi)星。

在我國，量子通信技術(shù)從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)化邁進，面對國際上科技巨頭，如IBM、Bell實驗室、德國西門子公司等都紛紛投入量子通信的產(chǎn)業(yè)化研究之時。我國將利用量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，而量子密鑰極有可能會進入普通家庭，服務(wù)于社會大眾，成為電子商務(wù)、電子醫(yī)療、軍事科技等各種電子服務(wù)的驅(qū)動器，為當今這個高度信息化的社會提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。

我國未來還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星，預(yù)計到2020年實現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)。屆時，連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成，2030年左右將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。隨著量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，量子通信將迎來巨大的市場。有人預(yù)測，國內(nèi)量子通信短期市場規(guī)模在100億至130億元左右，長期市場規(guī)模將超過千億元。

5 量子技術(shù)的應(yīng)用對物理學(xué)發(fā)展的一些思考

量子通信技術(shù)的發(fā)展，基礎(chǔ)是物理學(xué)理論的發(fā)展，筆者認為21世紀是要把微觀和宏觀整體地聯(lián)系起來。這種結(jié)合對應(yīng)用科技影響深遠，我們回過頭來看看，目前的科學(xué)發(fā)明在19世紀末都是很難想象的！沒有20世紀初基礎(chǔ)物理科學(xué)的發(fā)展，21世紀的科技應(yīng)用和開發(fā)也無法迅速發(fā)展，那么，發(fā)展好當代物理理論研究應(yīng)該對今后的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

參 考 文 獻

[1] ASSCHE G V.Quantum Cryptography and Secret-key Distillation[M].New York：Cambridge University Press，2006.