[访谈]龙桂鲁:在量子世界“三十年磨一剑”

作者:蝌蚪君来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-27

亚太物理学会主席接受蝌蚪五线谱独家专访……

  量子保密通信与量子计算正在渐渐成为科技新时代的主题。量子保密通信与量子计算跟国家的信息安全密切相关,美国等发达国家已经将此列入国家战略, 欧盟也正在构建量子互联网,日本也制定了量子信息技术长期发展路线图。在中国科学家们的不懈努力下,目前中国在这一领域也正在实现“弯道超车”。

  那么,除了大家耳熟能详的“墨子号”量子卫星与光量子计算机,还有什么其他方式来实现量子保密通信与量子计算呢?为了回答这个问题,蝌蚪五线谱网站在清华大学独家专访了亚太物理学会主席、清华大学教授龙桂鲁。亚太物理学会联合会是杨振宁先生在1989年创立的包括亚太地区18个国家和地区的物理学会的联合会,与美国物理学会和欧洲物理学会一起,是国际上三大洲际物理学会联合会组织。

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龙桂鲁教授

  龙桂鲁教授告诉蝌蚪五线谱,他主要从事核磁共振量子计算的研究,同时致力于研究一种新的量子安全直接通信的理论与相关的实验。

  青少年时代的经历

  龙桂鲁的父亲是广西人,广西简称桂,而龙桂鲁的母亲是山东人,山东简称鲁,所以他的父母给他取名叫龙桂鲁,寓意两地的结合。龙桂鲁从小受父母的影响,读了很多书,他立志要当一名科学家。在山东烟台的牟平一中上了一年高中后,龙桂鲁在高一时就直接参加了高考。他考上了山东大学物理系,成为1978届的大学毕业生。随后他提前半年毕业,到清华大学攻读硕士与博士,1987年获得物理学博士学位。

  在龙桂鲁清华大学的办公室里,堆满了房间的是满满一子的书籍,简直可以用汗牛充栋来形容。从这个办公室也许可以看出,虽然已经五十多岁了,但龙桂鲁一直保留着少年时代开始的那种爱书读书博览全书的好习惯。

  龙桂鲁在清华大学物理系当教师以后,一开始主要研究原子核与核磁共振的理论,1996年以后从事量子信息的研究,并慢慢萌发了做核磁共振量子计算的想法。

  核磁共振量子计算

  在龙桂鲁教授的实验室,有一台供量子计算研究的核磁共振谱仪。在2017年10月11日,清华大学、阿里巴巴-中科大、本源量子-中科大在同一天发布了量子云计算平台,这台核磁共振量子计算谱仪就是当时发布的量子云计算平台之一。

  早在2016年,美国的IBM公司就向公众开放了基于云的量子计算平台,用户登录后能使用一台5量子比特的量子计算机进行算法演示或实验模拟。加拿大D-Wave系统公司也已经商品化了一些初等的量子计算机,谷歌和NASA也正在测试它们自己研发的量子计算系统。

  2017年,上述的中国研发机构也发布了类似的量子计算云平台,与其他量子计算云平台不同的是,清华大学龙桂鲁合作组发布的是国际上首个基于核磁共振谱仪的量子计算云平台。

  龙桂鲁教授核磁共振量子计算实验室的博士生李可仁与辛涛向蝌蚪五线谱网介绍了核磁共振量子计算的基本原理。他们表示,无论做什么类型的量子计算机,首先要有一个量子系统。在核磁共振量子计算中,需要实验样品编码量子比特,换句话说这个样品就是量子系统的载体,以两比特样品氯仿分子为例,这是一种有机物。氯仿是四氯化碳中的其中一个氯原子被氢原子取代以后产生的有机分子。而且为了做量子计算,氯仿分子中的碳原子还应该是具有奇数个核子,所以他们采用是同位素标记的碳13原子,只有这样它的核自旋才是1/2,所以这可以看成是一个量子比特(1/2核自旋可以在一个很强的磁场中产生能级分裂,这叫做塞曼分裂,能级分裂以后就形成了一个二能级系统,正好相当于一个量子比特)。氯仿分子中的氢原子的核自旋也是1/2,因此也是一个量子比特。

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李可仁(左)、龙桂鲁、辛涛

  所以氯仿样品可以作为一个2比特的量子处理器使用。当然,如果换成一个复杂的分子,就可以携带更多个量子比特了。这就是核磁共振的量子比特的来历。博士生李可仁告诉蝌蚪五线谱,现在龙桂鲁教授研究组里的核磁共振量子计算能做到5个量子比特或者7个量子比特了。

  那么,如何才能操控这些量子比特呢?通过包裹在样品周围的线圈所发射的射频脉冲,这些射频脉冲可以激发样品的塞曼能级,这些射频脉冲可以激发样品中的原子核在塞曼能级之间跃迁。这就可以对单比特的量子态进行操作,也叫做单比特门。因为每个原子核(比如这里的碳13原子与氢原子)的塞曼能级的共振频率是不一样的,所以可以通过改变射频频率来对各个量子比特进行操作。这样就实现了对单比特的操作。在这个基础上,也可以构造出通用的多量子比特的门。

  龙桂鲁告诉蝌蚪五线谱,核磁共振体系是八大类开始研究最早的做量子计算的物理系统之一。目前他的研究组还在做另外的基于光学微腔与金刚石色心的量子计算实验平台。目前来说,已经存在的八种量子计算的方案彼此都在竞争,看最后到底哪一种方案能最先实现实用化的量子计算。一旦实现实用化的量子计算,那么某个方案就成为实现量子计算机的主流方案,其他的七种方案就很有可能被淘汰。

  直接量子保密通信

  除了量子计算实验平台,龙桂鲁教授的研究组还正在做量子安全直接通信的实验。量子通信包括量子密钥分发、量子秘密共享和量子安全直接通信等不同模式。

  龙桂鲁说:“量子安全直接通信是2000年我与我的博士生刘晓曙一起提出来的新的量子保密通信方案,这种量子通信在量子信道里不用密钥,直接传输信息。它为什么可以这样做呢?因为它能够发现窃听,而且在发现窃听之前传输的数据不会丢失——而量子密钥分发一旦发现窃听那么之前传输的信息就丢失了。”

  据蝌蚪五线谱了解,量子密钥分发不是一种直接的量子保密通信,那是一种间接的方法——也许我们可以称之为”间接量子保密通信“(当然这也是一种很好的量子保密通信手段)。量子密钥分发一边在传输数据的时候,一边在做抽样检测,一旦发现误码率的增大,就表示通讯已经被窃听。量子密钥分发的密钥是从量子信道产生传输的,但信息的传输过程走的还是经典信道(每次都加密,在经典上这个就是一次一密的方法。)

  据2017年6月14日科技日报报道,龙桂鲁教授等独创的量子安全直接通信被中科大和南京邮电大学在冷原子量子存储系统得到实验验证。该实验引起了美国资深情报官员的高度重视,认为美国很快将实现量子安全直接通信并用于特种部队作战。最近,据新华网报道,量子安全直接通信的实用化进程上再次向前推进了一大步。

  2017年11月14日,清华大学与南京邮电大学联合实验组首次在500米光纤中实现了量子安全直接通信。他们使用一种叫做量子纠缠的方法来实现量子安全直接通信。目前,量子安全直接通信的实验结果表明,基于光纤的量子安全直接通信能够实现接近当前商用量子密钥分发所需要的传输率。这次实验是直接量子保密通信走向实用化迈出的关键性一步。    

  量子搜索的中国算法

  除了量子安全直接通信的原创性成果,龙桂鲁教授还在量子搜索上有一个著名的算法,被称为Grover-Long算法。对于一个1亿的数据,经典计算机需要搜索5000万次,而用这个量子搜索算法,则只需要搜索8000次就可以了。Grover-Long算法是一个量子精确搜索的算法,这个算法是不管数据量有多大,按照这个算法它的搜索成功率都是100%,是量子搜索的中国算法。这个算法目前已经被证明是优化的量子精确搜索算法了。量子搜索算法和大数分解量子算法是量子计算的两大算法。

  访谈到了尾声,龙桂鲁教授说,目前他的研究组在量子计算、量子保密通信、量子算法等方面正在努力探索,他们希望把这些研究成功努力推广到应用领域。从龙桂鲁博士毕业到现在也正好30年了,他在量子世界“三十年磨一剑”。这真正是为了中国的量子科学事业的发展砥砺奋进的三十年。

  本篇采写  蝌蚪五线谱   张轩中

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