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量子信息科学发展展望
作者:cmh        来源:科学网 
日期:2017-10-10    阅读次数:454
副标题:

        量子信息科学发展展望
        量子信息学是量子力学与信息学等学科相结合而产生的新兴交叉学科。 量子信息的信息载体是微观量子态,量子态本身的操控满足量子力学基本原理, 因而量子信息的编码、操控、传输和解码都与传统的经典信息学存在巨大差异。在经典信息学中,信息的操作依然满足经典力学的规律。利用量子力学的特殊性质,量子信息技术可以拥有比相应经典技术更强大的能力。基于量子信息技术可以实现绝对安全的量子通信,也可以解决经典计算机难以完成的计算难题。量子信息技术代表了未来信息技术发展的战略方向,是世界各国展开激烈竞争的下一代安全通信体系的焦点,并极有可能对人类社会的经济发展产生难以估量的影响。
       尽管在20世纪七八十年代,包括费曼(R.Feynman)、贝内特(C.H.Bennet)、多伊奇(D.Deutch)等就提出了有关量子信息的设想,但量子信息学作为一个重要学科方向引起学术界和各国政府高度重视是在1993年著名的Shor算法提出之后。基于量子力学基本原理,采用Shor算法可以在多项式时间内实现大数因式分解(而在经典算法中迄今未能发现多项式算法,甚至有人认为这样的算法根本不存在),这直接威胁到了人们广泛使用的RSA 公钥密码体系的安全性,从那之后人们开始致力于构建量子计算机和开展新型密码系统的研究。随着20多年的深入研究,量子信息科学已经发展成为一个多学科交叉,对国家安全、国防军事、产业经济等领域都具有潜在颠覆性作用的研究方向。
        量子信息学研究进展
        迄今,量子信息学的研究范畴已经被极大地扩展,目前主要包括如下几个重要研究方向。
           (1)量子密码与量子通信:利用量子态实现信息的编码、传输、处理和解码,特别是利用量子态(单光子态和纠缠态)实现量子密钥的分配。
         (2)量子计算:利用多比特系统量子态的叠加性质,设计合理的量子并行算法,并通过合适的物理体系加以实现(通用量子计算)。
           (3)量子模拟:在通用的量子计算机无法实现的前提下,利用现阶段已经可以很好控制的小规模的量子系统来实现一些在其他系统中难以实现的物理现象演示(专用量子计算)。
            (4)量子传感:利用量子系统状态对环境的高度敏感性,对我们感兴趣的特定参数进行高灵敏度探测。
           (5)量子计量:利用特定量子态(如NooN 态、GHZ态、压缩态等)的强关联性质将噪声对系统的影响降低,进而实现系统的高精度度量。
        近年来人们在以上研究方向均实现突破,取得了重要的成果,下面我们分别阐述以下几个重要研究方向的问题和进展。
        1. 实用化的量子密码系统研究
       常用密码体系的安全性由数学复杂性决定(如RSA 公钥密码体系就是基于大数因式分解这一数学难题构建的),这种密码体系存在被破译的可能,并非绝对安全可靠。而量子密码体系的安全性由基本物理原理保证,因而可以实现绝对安全的信息传递。量子密钥分发是量子密码体系的核心,是目前量子通信研究最成熟、也是最接近实用化的一个研究方向。近年来世界各国开展了面向实用化的示范性局域网、广域网的构建研究,取得了许多重大进展。
       光子是天然的量子信息载体, 特别适合于远距离的量子信息传输。因而,实现量子通信的关键问题是如何把加载信息(或用于建立密钥)的光子从一个地方高速地传输到足够远的另一个地方。由于传输信道(如光纤或大气)本身的特性,光子将不可避免地因各种原因(如散射、吸收等)丢失,且随着传输距离的增加,这种衰减呈指数增长。因而单光子的有效传输距离受到极大的限制。解决这个问题的关键就是引入量子中继,这是当前量子通信和量子密码系统研究的核心问题。
       为了解决单光子随距离指数衰减的问题,量子中继方案的核心思想是将建立长程量子纠缠对的难题改为先建立一系列短程量子纠缠对,然后再利用纠缠交换的方法来拓展距离,进而达到建立远距离量子纠缠对的目的。要实现量子中继的方案并不容易,首先要能够快速建立短距离的量子纠缠对,这需要迅速产生大量的纠缠对;其次, 短距离量子纠缠对的建立是概率性成功的,而纠缠交换时需要两对纠缠对要同时存在,为此必须需要一个按需 (on-demand)的量子存储器。而且纠缠交换的操作对量子探测器的效率也有极高的要求,量子中继的成功概率强烈地依赖于它。再者由于操作误差和环境影响,建立的短程纠缠对可能并不纯,下一步使用之前需要对其进行提纯,这需要消耗大量纠缠对。由此可见,要研制成功可实用化的量子中继对一些核心量子器件(如量子存储器、量子探测器等)的关键指标(如效率)都有极高的要求。近年来,在相关的关键技术方面都取得了长足的进展:量子存储在不同的物理系统中都取得了重要进展,如固体存储系统中的量子相干性已可以保持 6 小时,而冷原子系综中量子态的存储时间也已达到百毫秒量级。这些重要进展为最终实现可用的量子中继,进而实现远距离的量子通信打下了坚实基础。在未来相当长的时间内,实现量子中继都将是一个具有挑战性的目标。
       如果可以实现这类相对简单的量子中继方案,那么如何提高量子通信的传输速率是另一个重要的问题。这类中继方案中涉及的纠缠纯化、信息的来回传输都将极大地限制信息的传输速率。为了达到较高信息传输速率,如 1 兆比特/秒(M/s) 以上,这时通常的量子中继方案将不再适用,而基于量子纠错的量子中继方案将起着关键性的作用。因此,基于量子纠错的量子中继在未来也是一个研究重点。
       尽管目前还没有可用的量子中继方案,但利用现阶段的量子通信技术已经可以实现城域网量子保密通信(如合肥、芜湖等地构建的政务网)。量子密钥可以通过单光子的量子态来传输(量子纠缠并非不可或缺)。在这一方案中,单光子源的品质对量子通信的传输有重要影响。到目前为止,提取效率 66% 、单光子性优于 99%  的单光子源也已实现,这已经能够满足城域网范围内的量子通信要求。我国在实用化的量子密钥分配方面引领了国际水平。
        在局域网构建方面,中国科学技术大学潘建伟院士团队于 2012 年在合肥实现了由 6 个节点构成的城域量子网络。该网络使用光纤约 1700 千米,通过 6个 接入交换和集控站连接 40 组“量子电话”用户和 16 组“量子视频”用户。由郭光灿院士领衔的中国科学院量子信息重点实验室团队在 2005 年就已经在商用的光纤上实现了北京与天津之间125 千米的量子密钥传输实验,并于 2012 年在标准电信光纤中完成了 260 千米量子密钥分发实验(系统工作频率为2 吉赫),2014 年建设了合(肥)巢(湖)芜(湖)量子广域示范网。该网络通过中国移动的商用光纤连接合肥、巢湖、芜湖三个城市, 其中合肥局域网由5个节点组成,巢湖 1 个节点,芜湖 3 个节点。实地光纤总长超过 200 千米,全网运行时间超过 5000 小时,是目前有公开学术报道的国际同类网络中规模最大、距离最长、测试时间最长的网络之一,也是首个广域量子密钥分配网络。发展更高传输率、更稳定的城域量子通信网络,以及更长距离广域网,仍是量子通信实用化的重要问题。现阶段,我国正在建立北京—上海的京沪量子通信总干线。这套系统目前是基于可信中继建立的:在京沪之间设置多个可信中继站点, 在每个站点将量子信息转变为经典信息,再重新编码为量子信息并传输到下一个站点,从而实现远程量子态传输。基于诱骗态的量子密钥分配可以实现百千米量级的传输距离且无需单光子源或纠缠光源,但是这种密钥分配方案与量子中继不兼容,故进一步提升其传输距离的方案仍不明确。
       在没有量子中继可用的前提下,实现远程量子通信的另一个可能方案是基于自由空间传输的量子通信,这也是一个非常重要的研究方向。德国慕尼黑大学的科研小组开展了飞行物体与固定基站之间的量子通信研究,于 2013 年首次实现了一架盘旋飞行中的飞机与地面站之间的量子密钥分发。飞机的飞行速度为 290 千米/时,与地面站之间的距离为 20 千米。 2012 年,奥地利维也纳大学的研究团队在加那利群岛中相距 147 千米的两个小岛之间(特内里费岛和拉帕尔马岛)实现了量子隐形传态,两个节点之间的空间距离与地球近地轨道和地面站之间的距离相比拟。近年来,我国在此领域也取得了一系列重要进展,处于世界领先水平。 例如,2012 年在青海湖利用地基实验模拟星地之间的通信,实现了百千米级的量子隐形传态和双向纠缠分发;2016 年,中国发射了量子科学实验卫星“墨子号”,为星地之间自由空间的密钥分配(量子通信)打下了基础。卫星和地面之间量子通信的原理性验证也正在进行当中。
          2. 可扩展的容错量子计算
        实现大规模的量子计算是量子信息技术最重要的目标,同时也是巨大的技术挑战。在过去的10年中,人们在理论方面做了大量的工作,提出了很多新的理论和方法,提高了实现量子计算的可能性,特别是容错量子计算的证明极大地提高了量子计算的可行性。在理论上实现量子计算已没有原则性的障碍,人们甚至已经开始设计大规模量子计算的芯片构型。
理论上人们已经证明了阈值定理。只要我们对量子系统操作的精度超过一定的限制(比如误差低于 10-5),即使存在噪声的影响和操作误差,也能通过量子编码和纠错操作得到正确的计算结果。当然,在具体的计算中,根据计算规模和编码的不同,需要的阈值也不同,对某个具体问题的操作精度没有阈值定理设定的要求那么高。一般来说,计算的时间越长、计算规模越大、编码层数越多,对阈值的要求也越高。人们总是希望通过改进编码的方式以获得更高的阈值,进而降低实验实现的难度。人们发现通过引入拓扑编码可以有效降低操作的难度,提高阈值。利用表面码(surface code)编码(这是平面码,对微纳加工有好处),计算的阈值可以提高到1% 的量级。如果使用拓扑保护的马约拉纳(Majorana)零模作为编码方式,容错的阈值甚至可以提高到14%。寻找阈值更高、更便于实现、更高效的量子编码仍然是未来一段时间内量子计算理论中的重要问题,特别是针对特定的实验系统的编码。
        满足量子操作的阈值条件是实现普适量子计算的核心前提。在过去的若干年中,基于不同物理体系的实验都取得了长足的进步,特别是在离子阱系统和约瑟夫森结超导系统中。在这两个系统中,单比特操作和两比特操作的精度都已经达到和超过了实现容错量子计算的阈值要求(逻辑门的保真度都超过了99.9%)。实验研究的下一步目标是看到量子编码的容错性。基于离子阱系统的实验中已经看到了量子容错的迹象,这是迈向普适容错量子计算的关键步骤。
       目前,量子计算机的实现存在两个不同的路径。大部分物理系统(离子阱、 部分超导系统、量子点、金刚石色心系统等)都是在先保障量子性的基础上逐渐扩大系统,进而实现普适的量子计算。如何在保障纠缠的基础上实现可扩展是当前遇到的主要问题。可扩展性涉及计算模型(比如分布式计算)以及物理构型设计等一系列的问题。另一条是以加拿大 D-Wave 公司为代表的超导系统,首先考虑实现系统的可扩展。现在该公司已经能够控制 512 个量子比特(甚至更多),并能利用它实现绝热算法。虽然这个系统的量子性以及它是否能超越经典的计算机还存在巨大的争议,但其无疑提高了人们对实现可扩展量子计算的信心。需要指出的是 D-Wave 公司的计算机并不是普适的量子计算机,它是为特定算法而设计的。
        实验方面还特别值得一提的是有关马约拉纳零模的实验进展,目前大量的实验证据都支持它的存在。具有非阿贝尔交换特性的马约拉纳零模是实现拓扑量子计算的理想载体,利用它来做量子比特可以获得极高的阈值,不同比特之间的操作只需要实现不同马约拉纳零模的交换即可。然而在固态系统中实现可控的马约拉纳零模交换是一件很困难的事情,这需要发展新的实验技术。
       针对某些特定问题的研究对量子操控的要求并没有对普适量子计算的要求高。为了体现量子系统在解决问题方面相对于经典系统的优越性,人们正在尝试解决一些特殊的问题,虽然解决这些问题要求的技术难度相对低,但可以表明量子卓越的潜力。这方面最著名的例子是玻色取样问题。玻色取样本身是一个#P 困难问题(这是一类比 NP 完全问题更难的问题),用经典的计算机很难处理(即使用我国运算能力最强的 “ 天河二号 ” 超级计算机,在光子数超过 50 后都无法计算)。但利用量子器件,人们可以有效地求解。尽管求解此问题不需要复杂的门操作,也不需要编码,相对容易实现,但它对单光子光源有很高的要求,人们正在为实现这一目标而努力。另一个很重要的例子是所谓的量子霸权(quantum supremacy)问题,这是为超导系统量身定做的问题。在量子比特超过 50 的情况下,超导系统的计算能力将超过现有的超级计算机,D-Wave 公司和谷歌公司正在为实现这一目标而努力。
       3. 量子模拟
       在现阶段普适的量子计算机还无法实现的情况下,量子模拟利用较小规模的可控量子系统来实现一些我们用常规的方法无法或很难实现的物理现象,进而达到研究它们的目的。特别是在离子阱系统和光晶格系统中,量子模拟都取得了巨大的成功。量子模拟搭建了物理理论和物理现象之间的桥梁。
       量子多体关联系统是物理学中最重要也是最困难的问题之一。对于这样的问题,我们没有办法进行解析求解,甚至不能进行数值求解,已知的数值方法(如密度矩阵重整化方法、蒙特卡罗方法)对很多问题都无法给出可靠的结果。然而很多很重要的物理现象(如高温超导)与多体强关联有密切的关系,量子模拟提供了研究这种系统的一个新的工具。特别是基于光晶格系统的量子模拟。在此系统中,人们通过操控实现一些特定的强关联系统的哈密顿量(如 Bose-Hubbard 系统的哈密顿量),进而研究这个哈密顿量控制下的物理过程。目前,这个方法已取得了巨大的成功。
        除了模拟在凝聚态物理系统中已有的物理系统外,量子模拟还可以研究在常见的凝聚态中无法或很难研究的系统,比如自旋轨道耦合带来的新现象、二维多体局域化等。除了凝聚态物理中的问题,量子模拟还可以用来对量子力学基础、黑洞物理和量子场论中的一些问题进行模拟。在离子阱系统中,人们模拟了规范场中的物理;在光学系统中,人们模拟了 PT 对称世界,研究了 PT 理论与信息不超光速传播的相容问题;在光学系统中,人们还研究了黑洞中的光传播行为。对这些问题的研究极大地扩展了量子模拟的应用范围。
        随着量子操控技术的进步,人们将能够设计并模拟各种不同的哈密顿量,进而研究其中的物理。
        4. 量子传感和精密测量
       对物理量的精确测量不仅有助于更深层次的物理学规律的发现(比如微波背景辐射的各向异性),更有其应用上的需求。量子技术的发展使得人们可以对很多物理量的测量获得比经典方法更高的精度。在理论上,人们已经提出了一系列提高量子测量精度的新方法。
       时间是最重要的物理量,人类对时间精度的提高贯穿整个人类史。利用量子新技术人们可以将时间的测量标准达到前所未有的新高度。瓦恩兰(Wineland) 等在实验上利用离子阱中两个纠缠的离子,将时钟标准的精度提高到了 10-18 。利用囚禁的原子阵列,时间测量精度还可以进一步提高,甚至可以利用它来直接探测引力波和暗物质。如果利用多个囚禁在不同离子阱中的离子,假设它们处于 GHZ 态,并把不同的离子阱分布到空间中不同的地方,就可以极大地提高GPS的精度。
一般来说,物理系统总是受到噪声的影响,因而,我们对物理量的测量精度总是受到噪声的限制。量子技术表明,我们可以利用NooN 态来压缩噪声的影响,进而达到海森堡极限。
        另一方面,量子态本身是很脆弱的,它极易受到环境的影响。基于量子态对环境的敏感性,可以利用量子系统来对某些变化进行探测,这种应用就是量子传感。利用金刚石色心已经实现了对微小磁场的测量,并达到了极高的精度。量子传感和精密测量已经处于应用的前夜。
       我国在量子信息领域的研究起步较早,基本能做到与国际同步,并且在某些方面能够领先国际水平,但各个方向发展不平衡。具体地说,我们在量子通信方面的技术代表了国际最高的水平,特别是在实用化的量子密钥分配方面。但在核心的量子中继方面还需要有新的技术突破。在量子模拟方面近来也能与国际水平同步,特别是光学系统的量子模拟、NMR 系统和冷原子光晶格系统中的工作。 在金刚石色心的量子传感研究中也处于领先水平。然而,在量子计算和量子精密测量方面我们与国际最高水平之间有不小的差距, 这两方面都需要长期的资金支持,需要有一个积累的过程。这些年,国内这两方面的研究水平也在迅速提高,已开展离子阱系统、约瑟夫森结系统、金刚石色心和量子点系统的量子计算研究。离子阱、金刚石色心和超冷原子中的精密测量工作也正在开展。
        量子信息科学的发展前景
       经过对量子信息科学 20 多年的投入和研究,目前量子信息技术处于取得巨大突破的前夜,某些单元技术已处于实际应用的初始阶段。未来若干年,量子信息技术研究触发的相关技术和科学进步将不断涌现。下面我们按不同的方向来阐述可能的突破和发展前景。
        1. 量子密码
       随着单光子源技术的不断完善、设备无关通信方案的提出、通信安全性的进一步研究及光子探测效率的提高,量子密钥传输的速率和系统的可靠性都已满足基本的应用要求。量子密钥分配在城域网范围( 100 千米 )内已处于商业化应用阶段,正在迅速地完善其相关的设备。
       对远程的地面量子密码,可信中继方案并不令人满意。为实现绝对安全的信息传输,量子中继将不可或缺,可实用化的量子中继器研究将成为量子通信研究的核心问题。作为量子中继的关键问题之一的量子存储也会是竞争最激烈的方向。随着新的存储方案(多模式)和实验技术的进一步发展,未来5年有可能实现第一代的量子中继。为进一步提高传输效率, 未来几年人们将开始研究基于容错的二代和三代量子中继,进而提供可实用化的量子中继。另一个可能的长程量子通信方案基于自由空间中的星地传输。我国已发射了“墨子”卫星,建立了相关的实验平台,未来这方面的研究将会进一步推进,人们将更清楚这两种不同的方案的优缺点,并能混合这两种方案构建全球性的量子密码网络。
        2. 量子计算
        量子计算在不同的几个物理系统中已取得了巨大的进展,已处于取得重大突破的前夜。量子计算的研制已经吸引了大量的商业化公司(谷歌、IBM、微软等公司)的投入,各国政府也针对量子计算机研究推出了各种计划,加大投入。可以预见,量子计算机研制的竞争将更加白热化。随着研究投入和更多的科学家的加入, 不同量子系统在量子计算中的优缺点将进一步明确,实现量子计算的物理系统将进一步明确、集中。
       可扩展问题是量子计算机现阶段面临的主要障碍。固体系统(如超导系统和量子点系统)在这方面具有天然的优势。离子阱系统和芯片技术相结合,也为可扩展性的解决提供了可能。就现阶段的实验操控技术水平而言,离子阱系统和超导系统处于领先地位,量子门操作精度均已超过普适量子计算所需的阈值。基于这两个系统的可扩展的量子计算机架构原型也已经提出来了(大小堪比足球场)。研究更经济和易于实现的架构,如何利用物理系统本身特性而设计更高效、阈值更高的编码等,都是未来重要的研究课题。
       在拓扑量子计算方面,通过模拟,人们在未来几年能够对拓扑计算的基本性质进行深入的研究。通过进一步设计和优化基于马约拉纳零模的设计,解决准粒子污染( quasiparticle poisoning )问题,提高其操作性能。未来 5 年有可能实现基于拓扑比特的各种门操作。人们将研制新的制备和实现拓扑量子比特的方法,特别是能进行普适量子计算的拓扑态(如 Fibonacci 任意子)。
        在未来 5 年,人们将实现超过50个量子比特的量子设备,进而在玻色取样和量子霸权问题上验证量子计算的优越性,其性能在这些特定问题上完全超越现有的所有经典计算设备。
        3. 量子模拟
       量子模拟将用于解决更多特定的问题,其强大的模拟能力将会被进一步展示。在冷原子光晶格系统和离子阱系统中会有更多在凝聚态系统中无法求解的问题被模拟研究,量子模拟器会成为研究物理问题的强大工具。
        4. 量子传感和精密测量
        量子传感技术逐渐成熟并商业化。 利用量子技术提高各种探测的精度,例如人们将利用提高的时钟标准来提高GPS的定位精度。利用量子技术来测量其他物理现象,比如相对论效应。
       基于量子信息带来的颠覆性, 而且现在这些技术都处于应用或取得重大突破的前夜,各国政府和商业界都积极参与其中。美国国防部和国家科学基金会都对量子信息技术给予了特别支持;欧盟发表了《 量子宣言 》,推动量子通信、量子模拟、量子传感和量子计算这四方面的中长期发展,以实现原子量子时钟、量子传感器、城际量子网络、量子模拟器、量子互联网和通用量子计算机等重大技术的突破与应用;英国先后发布 《 量子技术国家战略———英国的一个新时代 》 和 《 量子技术路线图》,为国家的量子技术发展提供了蓝图;日本、澳大利亚、加拿大等国也在量子信息技术方面有重大布局。 IBM、 微软和谷歌公司很早就在量子信息技术方面布局,近来更是加大了这方面的投入。在各国政府和企业的支持下,近来量子信息技术取得了巨大的进展,各方面都显示出有新的突破迹象。我国在量子信息方面也有长期的投入,但总体规划还需要进一步加强。
        对我国量子信息科学发展的建议
        对我国量子信息未来的发展有如下的建议。
        1. 加强量子信息技术发展的规划性
       由于国家对量子信息技术发展的高度重视,各个学校和地方政府都在新建各种量子中心和研究所,这造成了大量的重复建设。现阶段量子信息技术,特别是量子计算机仍然处于基础研究的阶段,而且高度专业化,需要有长时间的积累才有可能做出创新型成果。很多学校和机构并不具有相关的经验和能力,盲目重复建设势必会造成资源的极大浪费。此外,量子信息技术各个方面发展的不均衡性也应在规划中得到体现。
        2. 加大对量子力学基础研究的投入
       虽然量子力学基础本身不会直接产生颠覆性的技术,但它是量子信息的基础,没有对量子力学的深入认识,量子信息技术就是无根之木、无源之水。现阶段,大家的有必要的投入支持。
        3. 对量子计算的研究需要稳定持续的投入支持
       如前文所述,量子计算仍然处于基础研究的阶段,而且我国在这方面的研究积累较少,无论在理论还是实验方面与国际最好水平都有较大的差距。而这方面的发展需要潜心的长时间积累,可能很长时间内无法获得重要的原创性成果,因此长期稳定的支持对量子计算的发展至关重要。
        4. 改革完善考核评价机制
       如前所说,我国在量子信息各个方面的发展并不均衡,有的方面已进入实用化阶段,有的还处于基础研究阶段。需要用不同的考核和评价机制来有效地调动不同研究方向的积极性。
        5. 完善协同机制
       量子信息科学已经涵盖了从基础研究到商业产品的整个链条,因此需要不同专业、不同领域的人才协同合作才有可能取得突破性进展。完善的协同机制是合作成功的重要前提。
        本文摘编自中国科学院编《 2017 科学发展报告 》 第一章 郭光灿 韩永建 史保森 撰写文章 《 量子信息科学发展展望 》。

    
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