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量子技术的军事应用前景可期
2018-03-02 16:02:00

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         据国际应用物理学权威期刊《物理评论应用》日前发表的科技成果显示,近期,中国科学技术大学郭光灿院士团队利用优化设计的高频脉冲量子测控电路,成功实现了世界上首个基于半导体量子点体系的三电荷量子比特逻辑门,进一步提升量子计算的效率,为可扩展、可集成化半导体量子芯片的研制奠定了坚实基础。中国在量子技术研究方面,是多头并进成果斐然,这项先进的技术在科学方面会产生什么神奇效果呢?其在军事领域将如何应用呢?

  被世界关注的量子到底是什么?

  众所周知,芯片是现代计算机的核心,“量子芯片”则是未来量子计算机的“大脑”。两年前,中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室在量子芯片开发领域取得一项重要进展,首次在砷化镓半导体量子芯片中成功实现了量子相干特性好、操控速度快、可控性强的电控新型编码量子比特。这个团队多年来致力于半导体量子芯片的开发,他们此次利用半导体量子点多电子态轨道的非对称特性,首次在砷化镓半导体系统中实现轨道杂化的新型量子比特,巧妙地将电荷量子比特超快特性与自旋量子比特的长相干特性融为一体,实现“鱼”和“熊掌”的兼得。

  这一团队两年前取得的成果和现在刚刚取得的成就——制备半导体六量子点芯片,对于中国研发量子计算机具有很大的支持作用。可以说,量子芯片相当于未来量子计算机的“大脑”,可实现量子的逻辑运算和信息处理。提到量子计算机,这一设想最早是美籍犹太裔物理学家、1965年诺贝尔物理奖得主理查德·费曼提出来的。从1980~1990年代,量子计算机被炒得火热,但大多只是纸上谈兵,因为要找到有效办法让量子受控制实在太难了。直到21世纪以来,科学家才在实验室有了一些进展。如果按照现在的速度发展下去,包括中国在内的一些国家一定会研发出更强的量子计算机,那就意味着人类果真进入量子计算机时代。待到量子计算机变成平常的电脑(那时该叫量脑了)时,从互联网观看或下载一部高清电影,都是瞬间之事。到那时,复杂的天文、气象、地震、大气物理、海量经济数据分析、医疗分析等的计算处理,将超级快速。

  据官方公布的实验测试声称,该原型机的取样速度比国际同行快至少24000倍。

  掌握量子技术的难点到底在哪?

  众所周知,量子是最小的不可分割的能量单位,而1个量子位同时有0和1两个状态,相应的N个量子位可同时存储2的N次方个数据。所以,量子计算机操作一次的效果和普通电子计算机要进行2的N次方次操作的效果等同,换言之,量子计算能一次完成2的N次方个数据的并行处理,这样的并行计算速度完全可以秒杀传统计算机。据郭光灿院士表示,“量子计算机是一项颠覆性的技术,一旦成功研发,就可以破解现在所有的密码,另外它还可以解决大数据等等问题。”

  举一个例子:如果现说在传统计算机的速度是自行车,那么量子计算机的速度就好比飞机,而且量子计算机对特定问题的处理能力可超过目前最快的“神威·太湖之光”超级计算机。例如,求一个300位数的质因数,目前最好的经典计算机可能需要上千年的时间来完成,而量子计算机原则上可以在很短的时间内完成。因此,量子计算在核爆模拟、密码破译、材料和微纳制造等领域具有突出优势,是新概念高性能计算领域公认的发展趋势。麻省理工学院计算机科学家斯科特·阿隆森曾指出,量子计算机的研制成功将成为科学史上一个重要的里程碑。

  当然,当前应用最成熟的应该是中国发展的量子通讯技术,中国不但成功发射了量子通讯试验卫星,还在三个量子通信地面站间,利用“墨子号”试验卫星实现了量子纠缠。而这次试验中每个地面站间都相距1000公里以上,实验结果严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,世界上第一次量子通讯得到了技术验证,中国正式走在了世界的最前沿。中国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学副校长潘建伟院士曾宣布:中国率先实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发,打破了此前国际上保持多年的“百公里级”纪录,回答了爱因斯坦关于量子力学的“百年之问”。 美国波士顿大学量子技术专家谢尔吉延科评价说:“这是一个英雄史诗般的实验,中国研究人员的技巧、坚持和对科学的奉献应该得到最高的赞美与承认。”

  量子通讯技术被认为是最安全的、最不容易被“黑”的一种通信方式,很多国家的科学家们都在研究。这项实验的成功,使得安全通信成为可能,也为未来展开更大尺度的实验奠定基础。所以,到那时,不论多么强大的国家要想窃取中国的秘密,门都没有。同时,中国可以破解现在世界上所有的密码和加密信息,另外它还可以解决大数据等等问题,因而可以避免大国竞争中的恶意攻击和欺诈行为。

  掌握量子技术有何军事意义?

  日前,中国量子技术方面取得突破性进展,中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及同事张军等人在这一领域取得重要科研突破,他们在国际上首次实现了1.25GHz InGaAs/InP单光子探测器单片集成读出电路,该突破可使高速量子通信终端设备中体积占比最大的探测器模块尺寸减小一个数量级以上,为未来研制小型化量子通信系统奠定了重要基础。再加上这次中科院量子信息重点实验室成功研发了半导体量子芯片和量子存储技术,使得中国整个的量子研究在世界上名列前茅。

  当然,中国在量子技术研究方面,是多头并进的。除了上面提到的量子计算机和量子通讯,还有量子雷达、量子水下通讯、完成量子反通信试验、完成量子成像(鬼成像)技术,而且在量子技术应用上,据英国《简氏防务周刊》网站报道,中国船舶重工集团公司和中国科学技术大学签署一项里程碑式的协议,就支持海军任务系统研发的量子技术开展合作。根据这项联合计划,双方将在位于华中的武汉成立3个实验室,分别致力于量子导航、量子通信和量子探测技术的研发。

  同时,根据有关部门的规划,中国将用15年左右时间,构建天地一体的有量子通信安全保障的未来互联网,即量子互联网。据称,中国正在研发中的量子雷达技术,可以使现有的隐身战机,如F-22、F-35、B-2和苏-57原形毕露,还能研发出抗干扰的导弹雷达制导头,从而使敌机无从逃脱中国导弹的攻击。此外,中国力争到2030年左右率先建成全球化的广域量子保密通信网络,并在此基础上,构建信息充分安全的“量子互联网”。这一网络建成后,开始可能国防安全用得比较多,如果这个秘钥好用的话,马上紧接而来的可能是金融领域,因为他们有一些保密性特别强的数据,需要这个技术。

  更使人意外的是,美国媒体曾曝光中国已经开始在潜艇水下激光通讯技术中进行光量子保密通讯试验,已经领先美国。美国媒体认为,“也许没有多少人会认为中国军力可能将在未来10~20年内超越美国,但是军事力量的竞赛是动态的,特别是依赖于新技术的发展竞争,如果解放军将光量子通讯技术大面积推广并实战化,美国的优势就会大幅缩小”。这意味着,中国将先于欧美拥有量子通信覆盖全球的能力,其背后的军事和战略意义有多重大,大家可想而知。

  子彧 (扬子晚报特约专稿)

  特约主持 孙小伟

 主编:孙小伟   编辑:杨子梦

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