2004年起顧永建開啟量子相關(guān)研究，以海洋為特色，現(xiàn)已形成30多人研發(fā)團(tuán)隊(duì)

在青耕耘16年，他用量子科技“感知”海洋 

■顧永建（左）與肖芽在實(shí)驗(yàn)室。

繼人工智能、區(qū)塊鏈之后，近日，“量子科技”這個(gè)原本稍顯“冷門”的科學(xué)名詞刷屏了，成為備受矚目的前沿科技領(lǐng)域。那么量子科技究竟是什么，它又能應(yīng)用在哪些方面？目前，許多人對它的了解可能還只是限于想象層面。其實(shí)，早在十多年前青島就有學(xué)者開啟了該領(lǐng)域的研究。

2004年，師從中國科學(xué)院院士、量子信息學(xué)家郭光燦的顧永建，從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士畢業(yè)，來到中國海洋大學(xué)，成為青島研究量子科技的“第一人”。

青島量子科技的研究有哪些成果？量子科技將如何投入應(yīng)用？現(xiàn)任中國海洋大學(xué)信息學(xué)院教授、副院長的顧永建給出的答案是兩個(gè)字：海洋。

“瞄準(zhǔn)”海洋，量子科技精準(zhǔn)賦能

在青耕耘16載，顧永建通過引進(jìn)人才、在國內(nèi)較早為本科生開設(shè)量子信息課程、培養(yǎng)研究生等方法，現(xiàn)已形成了30多人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，讓青島的量子科技研究往前邁進(jìn)了一大步。

2018年，圍繞量子科技在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用，中國海洋大學(xué)牽頭成立了海洋量子技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，聘任郭光燦院士為專家委員會主任，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中科技大學(xué)、國防科技大學(xué)、山東大學(xué)、北京計(jì)算科學(xué)研究中心等單位的12位國家“杰青”、長江學(xué)者等專家為委員。

這個(gè)中心的關(guān)注領(lǐng)域與顧永建團(tuán)隊(duì)的研究方向高度契合，均以海洋為特色需求。以海洋量子通信與量子感知、量子計(jì)算和量子智能為研究和發(fā)展方向，基于量子信息原理、技術(shù)和成果研發(fā)海洋量子通信和傳感技術(shù)、海洋量子計(jì)算和量子智能的量子算法和量子軟件，推動(dòng)海洋信息感知和傳輸、海洋大數(shù)據(jù)處理和計(jì)算的量子化、智能化及高性能實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)在，“瞄準(zhǔn)”海洋領(lǐng)域，顧永建團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在量子科技領(lǐng)域做出了成果。

量子通信，讓海洋數(shù)據(jù)“無條件”安全

要探討量子科技的意義，顧永建提到的第一個(gè)應(yīng)用方向是量子通信。基于量子力學(xué)的特性，量子通信在信息安全和信道容量等方面突破了經(jīng)典技術(shù)的瓶頸。

這是量子科技領(lǐng)域最接近應(yīng)用的一項(xiàng)技術(shù)。在量子通信領(lǐng)域，近幾年的標(biāo)志性應(yīng)用是我國首顆量子衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射成功。中國量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士曾這樣形容“墨子號”：如果說地面量子通信構(gòu)建了一張連接每個(gè)城市、每個(gè)信息傳輸點(diǎn)的“網(wǎng)”，那么量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星就像一桿將這張網(wǎng)射向太空的“標(biāo)槍”。當(dāng)這張縱橫寰宇的量子通信“天地網(wǎng)”織就，海量信息將在其中來去如影，并且“無條件”安全。

顧永建用最通俗的語言給記者“翻譯”道，“墨子號”連接了天、地之間的量子通信，而青島的量子通信研究所關(guān)注的是沒有被覆蓋的領(lǐng)域——水下量子通信。

“大洋水下有很多諸如傳感器、航行器、潛艇等海洋監(jiān)測設(shè)施，它們探測和了解海洋，將收集的數(shù)據(jù)回傳以供研究。這些數(shù)據(jù)需要高度保密。”顧永建說，“作為科技領(lǐng)域最先進(jìn)的保密手段，量子通信在水下科研儀器的數(shù)據(jù)安全傳輸上將大有可為。”

到目前，顧永建團(tuán)隊(duì)對水下量子通信的一些關(guān)鍵技術(shù)研究已取得突破并開始承擔(dān)重要研制任務(wù)。“下一步，我們將繼續(xù)發(fā)力水下量子通信技術(shù)的研究，為真正實(shí)現(xiàn)量子通信對空、天、地、海的全面網(wǎng)絡(luò)覆蓋作出貢獻(xiàn)。”顧永建說。

來自前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)顯示，2019年，我國量子通信整體市場規(guī)模為325億元，同比增長了19%。雖然目前市場規(guī)模不大，但長期來看，量子通信有望引領(lǐng)量子互聯(lián)網(wǎng)的革命，出現(xiàn)量子物聯(lián)網(wǎng)、量子云計(jì)算等先進(jìn)形態(tài)。

量子計(jì)算，為海洋科研大提速

提到量子科技，不能不提的還有量子計(jì)算。1981年，美國物理學(xué)家費(fèi)曼曾說：“自然界并不像經(jīng)典物理學(xué)描述的那樣。要想模擬自然，最好用量子力學(xué)?！边@番話提出了借助量子力學(xué)打造一種新型計(jì)算機(jī)的想法，解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。這就是量子計(jì)算機(jī)的萌芽。

“在量子力學(xué)里有很多與‘直覺’不符的現(xiàn)象，比如一個(gè)粒子，可以同時(shí)處于兩個(gè)位置?！鳖櫽澜ㄕf，“這就給計(jì)算提供了新的、效率更高的量子方案，一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于0和1的狀態(tài)，這種并行特性使得量子計(jì)算機(jī)在處理特定問題上會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)。”

去年，科技巨頭谷歌的一項(xiàng)研究登上《自然》雜志150周年版的封面，被認(rèn)為是量子計(jì)算領(lǐng)域的里程碑事件。

量子計(jì)算的優(yōu)越性在海洋上同樣“奏效”。海洋廣袤無邊，蘊(yùn)藏著無數(shù)研究的“可能性”，在海洋領(lǐng)域的研究也是青島科技創(chuàng)新的“王牌”之一。以中國科學(xué)院院士、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室主任、中國海洋大學(xué)副校長吳立新院士擅長的海洋動(dòng)力學(xué)、氣候動(dòng)力學(xué)等研究領(lǐng)域?yàn)榇?，其背后都需要?qiáng)大的計(jì)算能力支撐。這正是顧永建團(tuán)隊(duì)在海洋研究領(lǐng)域進(jìn)行量子計(jì)算應(yīng)用的重要意義。

顧永建說，隨著研究的深入，海洋上對于“海浪”“海流”等現(xiàn)象的研究都對大數(shù)據(jù)、超算能力提出了更高需求。通過量子計(jì)算，可以大幅提升海洋動(dòng)力過程的計(jì)算速度，為海洋動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的研究賦能。

值得關(guān)注的是，在量子計(jì)算領(lǐng)域，顧永建團(tuán)隊(duì)依托海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室超算平臺已取得了一些重要成果。

去年，他們助力本源量子研制成功具有完全知識產(chǎn)權(quán)的量子虛擬機(jī)并部署在國產(chǎn)超級計(jì)算機(jī)神威太湖之光超算平臺上，可以進(jìn)行三種運(yùn)行模式的虛擬量子計(jì)算。

此外，對于海洋藥物領(lǐng)域的研究，量子計(jì)算也大有可為。顧永建說，利用計(jì)算機(jī)輔助海洋藥物的研發(fā)，能夠加快新藥研發(fā)的速度，節(jié)省大量的人力和物力。量子計(jì)算的強(qiáng)大特性，無疑可以大大提升海洋藥物的研發(fā)過程。下一步，該團(tuán)隊(duì)將在海洋藥物篩選的量子算法研制方面進(jìn)行布局。

人才為“基”，量子科技賦能百業(yè)

成果來源于人才。十幾年來，顧永建一直致力于量子團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，為青島的量子科技研究引入高層次人才?，F(xiàn)在在他的實(shí)驗(yàn)室里，匯聚了不少畢業(yè)于新加坡國立大學(xué)、北京大學(xué)等知名高校的年輕高層次人才。

畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的肖芽25歲就在國際頂級期刊《科學(xué)進(jìn)展》《物理評論快報(bào)》上發(fā)表過成果，在基于參量光糾纏的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，她的工作被評審專家譽(yù)為“代表了線性量子光學(xué)的最先進(jìn)技術(shù)”。在顧永建的努力下，肖芽被中國海洋大學(xué)“青年英才工程”第三層次破格引進(jìn)，這意味著青島的量子科技研究在量子實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的水平大幅提高。

在顧永建眼里，量子科技是一項(xiàng)前沿科技，又是一項(xiàng)“基礎(chǔ)”科技，可以給各行各業(yè)的研究賦能。他舉例道，在海洋試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室的組織下，團(tuán)隊(duì)將邀請中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和華中科技大學(xué)的專家共同探索，把量子傳感技術(shù)用于海洋領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)對海洋溫度、磁場、壓力等參量的高靈敏度測量。“我希望以我們團(tuán)隊(duì)為紐帶，為青島的量子科技研究引入全國‘智庫’，推動(dòng)量子科技的發(fā)展。”顧永建說。

郭光燦院士曾不止一次地對顧永建團(tuán)隊(duì)說，青島的量子科技研究，就是要在海洋領(lǐng)域做到最好。這也是顧永建的初心所在。（青報(bào)全媒體記者 耿婷婷  文/圖）

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