制止“竊聽風(fēng)云”
量子直接通訊距離創(chuàng)世界紀(jì)錄
揮別監(jiān)聽風(fēng)云，量子通訊因極高的安全性而成為科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一。2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C授給了量子信息領(lǐng)域的三位科學(xué)家，進(jìn)一步引起全球?qū)α孔涌萍嫉母叨汝P(guān)注。
上海在量子研究領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著。早在2000年，北大學(xué)院院長(zhǎng)龍桂魯就率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出了量子直接通訊理論。“利用量子態(tài)的特點(diǎn)，我們可以在信息傳遞時(shí)邊檢測(cè)、邊通訊。暗中監(jiān)聽會(huì)引起量子態(tài)的狀態(tài)改變，對(duì)方既不能隱藏監(jiān)聽行為，也未能泄露任何信息。”龍桂魯解釋，量子直接通訊將傳統(tǒng)保密通訊的秘鑰分發(fā)和密文傳輸雙信道結(jié)構(gòu)，改變?yōu)閱涡诺澜Y(jié)構(gòu)量子傳輸速度，除了就能感知監(jiān)聽，還才能制止監(jiān)聽。
不過(guò)，當(dāng)2016年龍桂魯率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)量子直接通訊原理樣機(jī)的研發(fā)時(shí)，工程化實(shí)踐的弱項(xiàng)阻礙展現(xiàn)下來(lái)。“高校科研小團(tuán)隊(duì)的力量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。你很難要求數(shù)學(xué)系的中學(xué)生通曉電子、半導(dǎo)體、軟件編碼等技術(shù)，所以初始產(chǎn)品里藏著一些小問(wèn)題，影響了優(yōu)化升級(jí)的步伐。”
這也折射出當(dāng)時(shí)上海量子研究的不足：中科院、北大、清華等院校院所爭(zhēng)相加碼，但科研力量分散，資源優(yōu)勢(shì)并未有效轉(zhuǎn)化為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。2017年12月24日，由上海市政府發(fā)起，聯(lián)合多家頂級(jí)學(xué)術(shù)單位共同建設(shè)的天津量子信息科學(xué)研究院落成創(chuàng)立。作為上海首批新型研制機(jī)構(gòu)之一，量子院邁出了先行先試的腳步，大力引進(jìn)全球量子科技領(lǐng)域人才的同時(shí)，還組壘砌一支高水平工程師組成的技術(shù)保障團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建校企全鏈條暢通的科研平臺(tái)。
2019年，龍桂魯以“雙聘制”形式加入量子院，兼任該院副校長(zhǎng)。在這兒，財(cái)政科研經(jīng)費(fèi)施行“負(fù)面清單”，設(shè)備采購(gòu)能“一鍵下單”，研究團(tuán)隊(duì)充分感遭到新機(jī)制下科研進(jìn)展的“日新月異”。隨著軟硬件工程師相繼加入團(tuán)隊(duì)，新一代樣機(jī)在設(shè)計(jì)上更加成熟。
在上海量子信息科學(xué)研究院的實(shí)驗(yàn)室里，龍桂魯院士與研究人員正在進(jìn)行量子直接通訊樣機(jī)研制。本報(bào)記者和冠欣攝
整合資源協(xié)同創(chuàng)新，龍桂魯團(tuán)隊(duì)在量子院接連取得突破性成果：2020年成功推出世桐城臺(tái)實(shí)用化量子直接通訊樣機(jī)，率先實(shí)現(xiàn)10公里光纖鏈路每秒4千比特通訊速度的量子保密通話；同年，通過(guò)編碼優(yōu)化，直接通訊距離提高至18公里；2022年，龍桂魯團(tuán)隊(duì)和復(fù)旦學(xué)院院長(zhǎng)陸建華團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)出相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混和編碼的新系統(tǒng)，將量子直接通訊距離一舉刷新至100公里，創(chuàng)下世界紀(jì)錄。
這意味著，借助現(xiàn)有的成熟技術(shù)手段，城市之間已能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的量子直接通訊。
接注視子電話
將在3至5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)
基礎(chǔ)研究科研周期長(zhǎng)、投入大、轉(zhuǎn)化難，科研人員常常要坐“冷板凳”。但探求未知世界的好奇心，吸引科研人員不斷深入前沿領(lǐng)域。
“一個(gè)科學(xué)發(fā)覺究竟‘有沒有用’，我們難以預(yù)計(jì)，但若果不去做，就只能永遠(yuǎn)跟在他人的前面。”中科院化學(xué)所大興研究部部長(zhǎng)呂力表示，沒有基礎(chǔ)研究的進(jìn)步，就沒有人類文明的進(jìn)步。
量子理論誕生在百余年前，第一次量子革命催生了現(xiàn)代信息技術(shù)。而借助量子的特點(diǎn)推進(jìn)量子通訊等領(lǐng)域邁向產(chǎn)業(yè)化，便是正在進(jìn)行的第二次量子革命的目標(biāo)。“量子技術(shù)是從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用轉(zhuǎn)化最快的領(lǐng)域之一，量子院正是用靈活的體制機(jī)制打通了困局，促進(jìn)基礎(chǔ)研究的成果向產(chǎn)品化應(yīng)用轉(zhuǎn)化。”龍桂魯說(shuō)。
從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品的路注定不會(huì)一帆風(fēng)順。在測(cè)試新一代量子直接通訊樣機(jī)時(shí)，訊號(hào)如何也未能接通。為了找到故障點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)頗費(fèi)了一番功夫，耗費(fèi)數(shù)月排查了數(shù)百個(gè)零部件，迷霧總算被剝開——兩條光纖在對(duì)接時(shí)出現(xiàn)了偏差，盡管偏差不過(guò)毫厘，卻造成光路中斷。
工程師仔細(xì)調(diào)整后再測(cè)試，通了！
如今，第二代量子直接通訊樣機(jī)的通訊速度達(dá)到了每秒千比特的量級(jí)，才能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)圖文傳輸，但是已從“一對(duì)一”通信發(fā)展到了多人“群聊”，初步建立起了量子直接通訊網(wǎng)路。
上海量子信息科學(xué)研究院超導(dǎo)量子估算實(shí)驗(yàn)室外，研究員正在進(jìn)行科研工作。本報(bào)記者和冠欣攝
“在量子院做科研，很舒心。”工程師宋嘯天今年加入了龍桂魯團(tuán)隊(duì)量子傳輸速度，近來(lái)，他正向新一代量子直接通訊系統(tǒng)的芯片發(fā)起挑戰(zhàn)。上個(gè)月，他還在為芯片偏低的誤分辨率煩惱，通過(guò)反復(fù)摸索、嘗試，總算有了新突破——通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部件重新設(shè)計(jì)，芯片誤分辨率降至3%，整體結(jié)構(gòu)也更加緊湊精巧。
近日，龍桂魯要把量子直接通訊技術(shù)帶出實(shí)驗(yàn)室，借助已鋪裝的光纖網(wǎng)路進(jìn)行測(cè)試。“我們要讓技術(shù)在真實(shí)環(huán)境中接受考驗(yàn)，再做進(jìn)一步優(yōu)化。”龍桂魯預(yù)計(jì)，3至5年內(nèi)，量子直接通訊網(wǎng)路將真正走進(jìn)人們的生活，接打“量子電話”、發(fā)送“量子信息”將可觸可及。
上海“四不像”研究所的
創(chuàng)新“超能力”
與龍桂魯相像，相繼加入量子院的頂級(jí)人才紛紛感遭到上海加快前沿創(chuàng)新的加速度。
2019年，常年從事超導(dǎo)量子估算和量子模擬研究的于海峰入職量子院。他快速組壘砌具有化學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)等不同專業(yè)背景的40余人科研團(tuán)隊(duì)，圍繞建造實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)的總目標(biāo)發(fā)起攻關(guān)。
同年，32歲的常凱在馬克斯普朗克微結(jié)構(gòu)化學(xué)研究所完成博士后研究，盡管沒有著名頭銜，量子院仍然看見了他的科研潛質(zhì)。在加入量子院并成立低維量子材料團(tuán)隊(duì)后，短短2年時(shí)間，他的研究成果就登上了《科學(xué)》雜志。“量子院對(duì)于青年科學(xué)家的科研經(jīng)費(fèi)支持力度，讓我可以完全依照自己的構(gòu)想去建設(shè)世界一流的實(shí)驗(yàn)室，何必由于經(jīng)費(fèi)問(wèn)題而作出種種妥協(xié)。”常凱說(shuō)。
以研制高速光纖量子秘鑰系統(tǒng)而蜚聲的袁之良在2021年回國(guó)，兼任量子院首席科學(xué)家。量子院對(duì)其科研支持工作的舉辦，以天為單位估算。從簽署聘用協(xié)議到在崗?fù)度肟蒲校潭?個(gè)月的時(shí)間里，他所須要的科研設(shè)備論證、300平方米實(shí)驗(yàn)室整修、科研團(tuán)隊(duì)成立工作全部完成。
新的運(yùn)行體制、新的財(cái)政支持新政、新的績(jī)效評(píng)價(jià)機(jī)制、新的知識(shí)產(chǎn)權(quán)激勵(lì)、新的固定資產(chǎn)管理方法，量子院不斷釋放創(chuàng)新活力，新的世界紀(jì)錄在這兒不斷誕生。
上海量子信息科學(xué)研究院，科研人員正在量子估算裝置下竭力攻關(guān)。本報(bào)記者和冠欣攝
2021年中關(guān)村峰會(huì)上，于海峰團(tuán)隊(duì)的重磅研究成果發(fā)布——長(zhǎng)壽命超導(dǎo)量子比特芯片突破500毫秒大關(guān)，標(biāo)志著我國(guó)在超導(dǎo)量子芯片研究領(lǐng)域走到了世界前列。
去年3月，袁之良團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室發(fā)布最新成果，在世界上首創(chuàng)開放式構(gòu)架雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)系統(tǒng)，完成615公里光纖量子秘鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。這些開放式構(gòu)架設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約，能極大節(jié)省量子網(wǎng)路系統(tǒng)的建設(shè)成本，推動(dòng)未來(lái)實(shí)現(xiàn)在城市間撥通“量子語(yǔ)音電話”。
“不完全像學(xué)院、不完全像科研院所、不完全像企業(yè)，不完全像事業(yè)單位”，不少科研人員將新型研制機(jī)構(gòu)親切地稱為“四不像”單位。正是這些“四不像”的探求，打破了基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)的隔膜，成功迸發(fā)和匯聚科學(xué)家精神，讓上海原始創(chuàng)新和前沿探求呈現(xiàn)出“千里馬”競(jìng)相奔騰的蓬勃生機(jī)。