起步于2004年,用“量子”为海洋赋能!观海新闻记者探访青岛量子科技研究

刚刚过去这一周,“量子科技”这个原本稍显“冷门”的词刷屏了。量子科技是什么?

习近平总书记在中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行的第二十四次集体学习上是这样说的:“量子力学是人类探究微观世界的重大成果。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值,是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新,将引领新一轮科技革命和产业变革方向。”

继人工智能、区块链之后,量子科技成为中共中央政治局又一个集体学习的前沿科技领域。

对于这一前沿科技领域的研究,青岛的尝试始于2004年。

顾永建

这一年,师从中国科学院院士、量子信息学家郭光灿的顾永建,从中国科学技术大学博士毕业,来到中国海洋大学,成为了青岛研究量子科技的“第一人”。

青岛量子科技的研究有哪些成果?量子科技将如何投入应用?现任中国海洋大学信息学院教授、副院长的顾永建给出的答案是两个字:海洋。

“瞄准”海洋,量子科技精准赋能

在青耕耘16载,顾永建通过引进人才、在国内较早为本科生开设量子信息课程、培养研究生等方法,现已形成了30多人的研发团队,让青岛的量子科技研究往前迈进了一大步。

2018年,围绕量子科技在海洋领域的应用,中国海洋大学牵头成立了海洋量子技术协同创新中心,聘任郭光灿院士为专家委员会主任,中国科学技术大学、华中科技大学、国防科技大学、山东大学、北京计算科学研究中心等单位的12位国家杰青、长江学者等专家为委员。

这个中心的关注领域与顾永建团队的研究方向高度契合——以海洋为特色需求,以海洋量子通信与量子感知、量子计算和量子智能为研究和发展方向,基于量子信息原理、技术和成果研发海洋量子通信和传感技术、海洋量子计算和量子智能的量子算法和量子软件,推动海洋信息感知和传输、海洋大数据处理和计算的量子化、智能化及高性能实现。

现在,“瞄准”海洋领域,顾永建团队已经在量子科技领域做出了成果。

量子通信,让海洋数据“无条件”安全

要探讨量子科技的意义,顾永建提到的第一个应用方向是量子通信。基于量子力学的特性,量子通信在信息安全和信道容量等方面突破了经典技术的瓶颈。

这是量子科技领域最接近应用的一项技术。在量子通信领域,近几年的标志性应用是我国首颗量子卫星“墨子号”发射成功。中国量子卫星首席科学家潘建伟院士曾这样形容“墨子号”:如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的"网",那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的"标枪"。当这张纵横寰宇的量子通信"天地网"织就,海量信息将在其中来去如影,并且"无条件"安全。

顾永建用最通俗的语言给记者“翻译”道,“墨子号”连接了天、空和地面的量子通信,而青岛的量子通信关注的是没有被覆盖的领域——水下量子通信。

“大洋水下有很多诸如传感器、航行器、潜艇等海洋监测设施,它们探测和了解海洋,将收集的数据回传以供研究。这些数据需要高度保密。”顾永建说,“作为科技领域最先进的保密手段,量子通信在水下科研仪器的数据安全传输上将大有可为。”

到目前,顾永建团队对水下量子通信的一些关键技术研究已取得突破并开始承担重要研制任务。“下一步,我们将继续发力水下量子通信技术的研究,为真正实现量子通信对空、天、地、海的全面网络覆盖作出贡献。”顾永建说。

来自前瞻产业研究院的数据显示,2019年,我国量子通信整体市场规模为325亿元,同比增长了19%。虽然目前市场规模不大,但长期来看,量子通信有望引领量子互联网的革命,出现量子物联网、量子云计算等先进形态。

量子计算,为海洋科研大提速

提到量子科技,不能不提的还有量子计算。1981年,美国物理学家费曼曾说:“自然界并不像经典物理学描述的那样,真见鬼,要想模拟自然,最好用量子力学。”这番话提出了借助量子力学打造一种新型计算机的想法,解决经典计算机无法解决的问题。这就是量子计算机的萌芽。

经典计算机的基本信息单位是比特,一个比特要么是0,要么是1;量子计算机则以量子比特为基本信息单位。量子计算利用量子相干、叠加和纠缠等特性,可以对现有的计算方式进行“革命”。

“在量子力学里有很多与‘直觉’不符的现象,比如一个粒子,可以同时处于两个位置。”顾永建说,“这就给计算提供了新的、效率更高的量子方案,一个量子比特可以同时处于0和1的状态,这种并行特性使得量子计算机在处理特定问题上会远远超过任何经典计算机。”

去年,科技巨头谷歌的一项研究登上《自然》杂志150周年版封面,被认为是量子计算领域的里程碑事件:量子计算机用3分20秒完成的一项计算,全球最强大的超算计算机Summit要花1万年。这被当作是“量子霸权”的标志性事件——量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力。

量子计算的优越性在海洋上同样“奏效”。海洋广袤无边,蕴藏着无数研究的“可能性”,在海洋领域的研究也是青岛科技创新的“王牌”之一。以中国科学院院士、青岛海洋科学与技术试点国家实验室主任、中国海洋大学副校长吴立新院士擅长的海洋动力学、气候动力学等研究领域为代表,其背后都需要强大的计算能力支撑。这正是顾永建团队在海洋研究领域进行量子计算应用的重要意义。

顾永建说,随着研究的深入,海洋上对于“海浪”“海流”等现象的研究都对大数据、超算能力提出了更高需求。通过量子计算,可以大幅提升海洋动力过程的计算速度,为海洋动力学等领域的研究赋能。

值得关注的是,在量子计算领域,顾永建团队依托海洋科学与技术试点国家实验室超算平台已取得了一些重要成果。

去年,他们助力本源量子研制成功具有完全知识产权的量子虚拟机并部署在国产超级计算机——神威太湖之光超算平台上,可以进行三种运行模式的虚拟量子计算,他们还研发了解决相关问题的多个量子算法,为海洋动力过程的量子计算奠定了基础。

此外,对于海洋药物领域的研究,量子计算也大有可为。顾永建说,利用计算机辅助海洋药物的研发,能够加快新药研发的速度,节省大量的人力和物力。量子计算的强大特性,无疑可以大大提升海洋药物的研发过程。下一步,该团队将在海洋药物筛选的量子算法研制方面进行布局。

人才为“基”,量子科技赋能百业

成果来源于人才。十几年来,顾永建一直致力于量子团队的建设,为青岛的量子科技研究引入高层次人才。现在在他的实验室里,汇聚了不少毕业于新加坡国立大学、北京大学等知名高校的年轻高层次人才。

顾永建(左)与肖芽在实验室。

毕业于中国科学技术大学的肖芽25岁就在国际顶级期刊《科学·进展》、《物理评论快报》上发表过成果,在基于参量光纠缠的量子光学实验领域,她的工作被评审专家誉为“代表了线性量子光学的最先进技术”。在顾永建的努力下,肖芽被中国海洋大学“青年英才工程”第三层次破格引进,这意味着青岛的量子科技研究在量子实验领域的水平大幅提高。

在顾永建眼里,量子科技是一项前沿科技,又是一项“基础”科技,可以给各行各业的研究赋能。他举例道,在海洋试点国家实验室的组织下,团队将邀请中国科学技术大学和华中科技大学的专家共同探索,把量子传感技术用于海洋领域,以实现对海洋温度、磁场、压力等参量的高灵敏度测量。“我希望以我们团队为纽带,为青岛的量子科技研究引入全国‘智库’,推动量子科技的发展。”顾永建说。

郭光灿院士曾不止一次地对顾永建团队说,青岛的量子科技研究,就是要在海洋领域做到最好。这也是顾永建的初心所在。(青岛日报/观海新闻记者 耿婷婷 文/图)

责任编辑:孙源熙