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量子科学实验卫星“墨子号”发射升空

 8月16日,我国长征二号丁运载火箭将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空,在世界上首次实现了卫星和地面之间的量子通信,同时也是我国实现“无条件安全”的“天地一体化”量子通信网络构想下里程碑式的一步。首颗“量子科学实验卫星”的发射成功,有望让量子通信真正进入广域传输时代;其“测不准”“不可克隆”等特性,使得其传输的信息在理论上永不会被解密。

  发射卫星只是一个起点,在“宏伟量子大厦”中,量子京沪干线正在搭建,天地一体的广域量子网络指日可待。记者调研发现,在我国这个全球领跑的优势技术中,市场应用作为不可缺少的一环,正在不断突破,不仅已经在军事、大型活动中作为安全保障,更被不少金融机构所采纳。有人才、有技术、有资本,这一场量子应用的“大戏”才刚刚启幕。

  “洲际传播”开启产业化应用 政府部门、金融机构“尝鲜”

  量子通信技术已经开始在市场上得以产业化应用,目前主要应用于金融、政务、军事等领域信息的安全传输。有分析认为,随着未来量子通信在城域网、城际网、广域网全面铺开,量子通信的应用领域将推广到个人生活,到2030年量子通信市场有望达到千亿元水平。

  中国科学技术大学、杏林苑和滨湖新区……2008年10月,这三个合肥市内本不相干的点,因为一次实验连接在了一起。它们因为组成了三节点可扩展的量子通信网络,实现了全球首个量子保密电话系统建设,而被永久载入史册。

  随后,五节点,四十六节点,合肥、济南城域网,“京沪”城际网……量子通信网在不断扩展。将近十年后,随着量子卫星的发射成功,量子通信网络真正可能升至“广域”“洲际”传播,为信息保密传输画上了“天地一体”的注脚。

  提起量子通信这一“永不被解密”的安全传输方式,很多人觉得晦涩,而记者采访了解到,这一技术已经在市场上得以产业化应用。以中国科学技术大学潘建伟团队为技术依托的科大国盾量子技术股份有限公司(以下简称“科大国盾”),把量子通信带到了日常生活中,形成了以量子密码通信终端设备、网络交换/路由设备为核心的量子信息安全系统整体解决方案。

  量子通信究竟有多大的市场?方正证券预计,专网市场规模到2017年将达到180亿元左右,专网领域量子通信的市场规模在35至45亿元。在3至5年内,量子通信市场规模有望达到100至130亿元。预计短期催化剂主要包括“十三五”规划等政策层面的推动、政务和军事专网信息安全需求的加强、高校等科研机构产业化动力的增强、量子通信技术在公众通信网的现网测试和小范围应用。

  华泰证券的分析则认为,随着未来量子通信在城域网、城际网、广域网全面铺开,量子通信的应用领域将从目前的金融、政务、军事等客户推广到个人生活,到2030年量子通信市场有望达到千亿元水平。

  目前,工商银行、北京农商行等多家银行率先试用了量子通信加密技术。作为首批用户之一,工商银行数据中心(北京)网络部总经理任长清曾在接受采访时介绍,现在工行试点的部门,就是通过国盾的量子加密技术,将数据从数据中心传输到同城的另一个机房内。“从理论上讲,通过设备产生量子密钥,再对数据进行加密传输,是不会被窃取的,这对金融数据传输是非常有必要的。”

  另外,将在今年年底贯通的量子京沪干线,总长2000多公里,建成后,目标应用于军事、金融、政务等领域信息的安全传输。金融机构、媒体、大型企业,都可以成为量子通信的用户。

  技术推动市场应用“全球领跑”

  走入百姓生活或需再等十年

  发射全球第一颗量子通信卫星,无疑确立了我国在国际量子通信研究中的领跑地位。根据我国量子通信发展规划,量子卫星发射以后,今年底建成“量子通信京沪干线”,国内初步形成广域量子通信体系。到2030年左右,中国率先建成全球化的量子通信网络。而另一方面,量子通信产业在商业市场的接受度仍有待提高。

  今年6月,国家发展改革委印发的《长江三角洲城市群发展规划》,也为量子通信的实用化勾勒了蓝图。其中提出,加快城市群主要城市域量子通信网构建,建成长三角城市群广域量子通信网络。积极建设“量子通信京沪干线”工程,推动量子通信技术在上海、合肥、芜湖等城市使用,促进量子通信技术在政府部门、军队和金融机构等领域的应用。

  “我们的打算是在未来十年内,形成天地一体的全球化量子通信基础设施;形成完整的产业链和下一代国家主权信息安全生态系统;构建基于量子通信安全保障的未来互联网,也就是”量子互联网”。”潘建伟说。

  据了解,我国目前在全球量子通信竞争中能处于领先地位,一方面得益于国家对量子信息领域发展的高度重视,同时也依靠科研工作者取得的一系列重大突破。

  不过,作为一项新兴技术,即使是在技术积累和产业化方案都更成熟的我国,量子通信产业也同样面临着市场培育的困难。目前我国量子通信产业主要应用在军事方面、金融机构和政府部门,商业市场的接受度还有待提高。

  “保密传输一方面给用户带来价值,还能减少泄密时的损失。但由于技术本身对于用户是隐形的,用户很难显性察觉得到,需要通过技术手段知晓量子加密的进程。” 科大国盾相关负责人说,目前绝大多数合作伙伴都是在政府部门指导下,示范使用产品,真正花钱购买、进入商业化还需要一定的市场培育时间。

  量子通信想要真正走入百姓生活还需要一段时间。潘建伟说,“墨子号”发射后,如果效果达到预期,下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”等,形成“量子星群”。量子通信估计还需10至15年才能进入百姓生活,届时网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号、泄密了。

  资本市场热捧成“双刃剑”

  产业化需稳步前进

  量子通信广阔的发展前景吸引了资本市场的目光,不少企业积极投资这一新兴产业。然而,也有一些“山寨”公司借量子的名头,在资本市场圈钱。这些公司为了提升股价或尽快上市,大肆炒作量子概念,实际上就是搞资本运作,技术含量不高。一旦这些无技术、无资质、无创新的产品在市场“圈钱成功”但技术失败,可能影响实用化的进一步推进。

  主流统计认为,目前A股市场共有20家左右量子通信概念公司,包括神州信息、三力士、科华恒盛、亨通光电、永鼎股份、华工科技、凯乐科技、新海宜、航天电子、中天科技等公司。例如,浙江东方子公司参股神州量子、投资科大国盾;科华恒盛与宁波建工参股中经云;神州信息承建“京沪干线”工程等。

  记者调研还发现,虽然量子通信技术商业化仅处于起步阶段,但由于市场准入资质、标准制定等都还在探索中,一些“山寨”公司已经开始借量子的名头,在资本市场圈钱,导致鱼目混珠。一旦这些无技术、无资质、无创新的产品在市场“圈钱成功”但技术失败,可能影响实用化的进一步推进。

  业内人士介绍,市面上有一些公司,为了提升股价或尽快上市,就想方设法和正规公司签署协议,甚至只是买了两套设备,拿着正规企业的资料和PPT到处宣讲,炒作自己的量子概念,实际上就是搞资本运作,技术含量不高。最终导致一些金融机构产生疑虑,不利于用户的培育和市场规模的逐步推进。

  对此,业内人士认为,应尽早启动国家量子科研重大专项、组建量子信息国家实验室,以保持我国的量子科研优势地位,推动量子通信加速形成产业化。

  银监会等国家部委的强力支持,是产业化推进的重要因素。7月公布的《中国银行业信息科技“十三五”发展规划监管指导意见(征求意见稿)》中明确提出,紧跟新技术发展趋势,加强前瞻性研究,积极尝试开展量子通信、生物特征识别、虚拟现实、人工智能等技术的应用。积极应用量子保密通信等前沿技术提升网络安全防护能力,对产业化的推动力极大。

  “我们希望能和运营商、广电系统等一起去推进网络的建设。这不能闭门造车,而是要合纵联盟,合作伙伴中有用户、网络运维方、云服务器提供商、设备供应商等。基础设施的加快推进,是未来走向产业化的必经之路。”科大国盾相关负责人预计,量子通信产业在五年内将爆发式增长。

三星与TCL加大投入量子技术

美国社交网站Facebook创办人扎克伯格有了娃后,频频登上新闻头条,除了近期的“裸捐”,他在Facebook上晒出为女儿读书的照片也在社交网络炸开了锅。作为一名科技圈大拿,扎克伯格给娃选的第一个书,名叫《quantum physics for babies》,翻译过来是《给宝宝的量子物理》,给刚出生的宝宝读量子物理?众多父母都傻了眼,扎克伯格完美地诠释了如何在炫父爱的同时秀智商!

作为量子物理界的权威,MIT的Seth Lloyd教授认为:“虽然很多人都无法理解量子物理,但新出生的婴儿恰恰是最能理解量子物理原理的人。”他解释说,在成人看来,一个物体如果没有外力作用的话,它是不会挪位置的,但婴幼儿不理解这些,在他们眼里,一个隐藏的物体可以存在于任何位置,而这也是研究量子物理的基础(文章Peekaboo Reveals Babies Can Understand Quantum Mechanics)。“量子化的直觉“,也被称为婴儿天生的五大最不可思议的技能之一(文章5 Incredible Baby Skills),其余技能为水性、学习能力、韵律感和聪明。

既然量子学这么深奥,为什么还有那么多人愿意去研究它呢?不仅仅是为了探究微观世界本源,满足人类的原初好奇心,实在是因为量子学超!级!实!用!

比如前几天就有新闻宣称,谷歌和NASA共同研究的量子计算机,计算速度是传统计算机的1亿倍。

虽然量子技术如此复杂,让人累觉不爱,但人类对量子技术的研究也绝不会停止,因为它能颠覆整个世界。

比如,量子计算可以让天气预报更准确,通过量子计算机运算可以让我们跟堵车永别,还可以推动生物制药发展,轻松绘制出数以万亿计的分子组合模式,从海量可能性中迅速确定最有可能起效的组合,大大节省研发成本和时间。

总之,量子技术可以让我们的世界发生质的飞越,日常生活的方方面面都会被彻底改变。11月11日,世界上第一种使用Quantum Film技术而非硅材料来捕捉光线、将光子捕捉效率极大提升的图像传感器“Quantum13相机传感器”由美国一家公司InVisage “量宏科技”首创并推出,并且已经在高通和联发科技芯片平台上运行。

熟悉科技产业的公众都知道,一次基础性的材料创新,将会带来不可估量的辐射效应。最著名的例子,就是半导体材料的突破性进展,尤其是其中硅单晶材料的创新,成功推动了高度发展的集成电路技术成熟化,为今天先进的计算机、智能手机等电子设备的诞生,提供了可能性。此外,我们日常生活中不可缺少的宽带网、4G网等,无一不是建立在基础材料创新之上实现。因此,撇开基础材料谈创新,就犹如无水之鱼,不切实际。

清华大学高级工程师、电视显示技术专家万博泉在接受采访时表示,量子显示技术是一种新型显示技术,由于其使用无机半导体材料,所以具有提高画质、延长使用寿命等优点;另外一个优点是其节省了能量,减少耗电。

量子材料是肉眼看不到的极其微小的无机纳米晶体,把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构,具有与众不同的特性,每当受到光或电的刺激,便会发出非常纯净的有色光线。目前,使用量子材料的背光源成为了色彩最纯净的背光源,正是由于这一神奇特性,使其在显示领域、太阳能电池、发光器件、光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。

有行业人士指出,量子材料是诺贝尔奖级别的技术结晶,是目前科技领域最前沿、最尖端的基础材料之一,其每一次的创新,都会对社会、经济产生直接或者间接的巨大影响。”事实上,量子显示技术已经在电视产业上开始落地,电视产业有望成为量子显示技术大爆发的源动力。

业界把2016年当作量子显示技术发展的关键时期,据悉,三星与TCL等公司将加大量子显示技术的投入,量子技术在电视、手机、平板电脑等显示屏幕上的运用将越来越广泛。

阿里云进军量子计算机!百亿亿倍天河二号

阿里巴巴集团旗下阿里云今天宣布,联合中国科学院在上海成立全新的“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”,结合阿里云的经典计算算法、架构和云计算技术,以及中科院的量子计算与模拟、量子人工智能技术,共同开展在量子信息科学领域的前瞻性研究,研制量子计算机。
中科院院士潘建伟教授表示,目标是希望通过10-15年左右时间的努力,构建出新一代的量子计算机,其速度将比目前的超级计算机快百亿亿倍,相当于中国人每人都能分到几亿台天河二号。
天河二号是当前速度最快的超级计算机,最大性能可达33.8千万亿次浮点计算每秒,但它仍然基于传统计算架构,已经达到一定的瓶颈。近几年超算进步迟缓就是明证,世界各国尤其是美国正在积极探索下一代计算架构,尤其是量子计算。
量子计算机是一种遵循量子力学规律,进行高速运算、存储及处理量子信息的物理装置,一旦实现,意味着计算速度会有数十亿倍的提高。这一计算能力的飞跃,将远远超越从算盘到当代超级计算机的提升。
NASA、NSA、Google、IBM、微软、洛克希德马丁等国际顶级机构或企业都在这方面持续大力投入。
根据联合实验室的研究计划,预计到2025年,量子模拟将达到当今天河二号的水平,初步应用于一些目前无法解决的重大科技难题。
2030年,研制出具有50-100个量子比特的通用量子计算原型机,突破大规模量子计算机的芯片工艺,从物理层设计、制造,到算法运行实现自主研发,全面实现通用量子计算功能,并应用于大数据处理等重大实际问题。
此外,阿里巴巴和中科院还将共同研究量子保密通信技术在电子商务和数据中心安全方面的现实应用。

中国国家和军队建成首个量子信息学科交叉中心

记者从“2015年量子信息与量子计算国际研讨会”上获悉,我军首个量子信息学科交叉中心已在国防科技大学正式运行。该中心将围绕量子计算、量子通信、量子成像和纳米材料等10个国际前沿科研方向开展集中攻关。

量子信息是当前全球高科技竞争中的“兵家必争之地”,将引发诸多高科技领域的颠覆性变革。如量子计算机几分钟内即可解开传统电子计算机花上数十年才能解决的问题。该领域的突破成为满足研制超并行量子计算机、绝对安全的量子密码等诸多国家和军队重大战略需求的关键。

华工科技量子点激光器发展概况详述

华工科技副总裁、董秘刘含树先生,证代安欣女士,华工正源总工程师周忠华和管芯技术部经理唐琦就量子通讯技术及公司研制的量子点激光器项目进展概况介绍。
  一、量子点激光器背景介绍
  2014年10月3日,奥巴马宣布将启动“光量子集成制造技术(IntegratedPhotonicsManufacturing)创新中心”竞标,——这也是奥巴马15个制造业创新中心计划的第6个实验室,国防部将提供1亿美元资金支持,同时私人部门投资1亿美元,此次竞标是“美国制造业创新中心计划”2014年启动的第2个项目,奥巴马早前宣布将在年内启动4个新项目。
  该创新中心将关注在美国发展“端到端的(end-to-end)光量子集成技术产业链”,包括代工,集成设计工具,自动封装,组装和测试,以及人员培训。
  光量子集成技术,将像传统的激光器、电子通信技术一样在通信领域具有广泛而多样的应用前景。它将带来互联网传输能力的革命,一方面带来更高的带宽容量,另一方面成本更低。
  同时,光量子集成技术将推动医学技术革命,依托该技术可以生产比药片更小,可以在血管中穿梭的微型相机,从而可以无创(不需要取血)检测糖尿病患者的血糖水平。此外,光量子集成技术还有望将个人基因测序的成本从目前的5000美元降低到1000美元。
  在国防领域,光量子集成技术将会在显著提升战场成像质量、雷达(全光子雷达)性能等方面有广阔应用前景。
  2011年10月,国际知名纳米科学专家王肇中博士后加盟华工科技成为华工首席科学家,负责量子点激光器的研发和推广。量子点激光器是最新一代量子工程研究的成果,在国际上处于技术前瞻性研究,公司已经开始工程实践性研究,主要集中精力解决了项目最前端的外延材料生长环节,包括MOCVD外延设备的引进,外延技术团队的建设和外延技术的开发,公司主要着重材料和设备的研发。
  二、华工正源总工程师周忠华介绍公司及行业
  1、公司基本情况
  华工正源光子技术有限公司成立于2001年3月,注册资本4.41亿元,是华工科技产业股份有限公司的核心子公司。现有员工2000余人,包括多名业界资深及海外归国的高级技术专家,厂房面积21000平方米,其中超净化面积10600平方米,包括2200平方米千级以及250平方米百级超净化车间。正源光子致力于为客户提供高性价比产品的主流光器件制造商,具备从管芯-TO-器件-模块垂直整合能力,拥有管芯-TO-器件-模块大规模生产线,特别是在核心的激光器芯片产业化生产方面,公司拥有一条自主半导体量子点激光器芯片生产线,相关的MOCVD、光刻机、PECVD等相关测试检测设备具备每月120万片的生产能力,在MO生产技术方面拥有多项发明专利。虽然目前公司芯片加工平台停留在3-5微米级水平,距离实现量子点激光器大规模生产仍有差距,但我们有多年从事量子点激光器生产的工程技术人员,以及他们所积累的在微纳加工方面的工艺技术、激光器测试经验,为我们早日实现高端量子点激光器大规模研发和生产打下坚实基础。公司有覆盖国内外的销售服务网络,主要客户包括华为,中兴,谷歌、Cisco、诺西等国内外顶尖系统设备制造商。

  2、量子点技术
  21世纪,量子力学从理论研究走向了实际应用,在量子力学的框架下,当前蓬勃发展的光电子工业可以简单地看成微电子技术和光子技术的结合体。从电动力学到量子力学的发展,半导体量子激光器是实现光电转换的元器件,是电子技术和光子技术结合必不可缺的光源,在光电子工业中,激光器的芯片技术是整个工业的核心基础。近25年来,物理激光器的研发经历了从经典到量子的演变:从三维(晶体激光器、半导体二极管激光器等传统激光器)到二维(量子型激光器FCDIB),从一维(量子线激光器)到零维(准量子激光器)。激光器的体积越来越小,光电转换效率越来越高。量子点激光器是在量子阱与量子线激光器基础之上,对注入的载流子进行三维量子限制,是目前国际上半导体激光器研发的前沿领域。量子点激光器具有独特的物质性能,比如:比较窄的尖峰式强度分布、量子的共振隧深、非线性光学,因而具有更强的干涉性、更低的阈值电流以及更高的特性温度,可以极大的改善器件的光电转换性能。在半导体光电器件中,光电的转化是半导体异质结外延片,是由若干个对布拉格反射镜子构成的围枪眼产生激光,与硅晶圆片在电子工业中的作用类似。因此半导体异质结的外延片是整个光电子工业的基础材料,对后期方案的工业水平起到了决定性的作用。因此,外延片的水平决定了整个产业结构和发展水平。量子点激光器的技术难点有2个:一是制造激光器的材料是外延片,另一个是激光器制作工艺是微纳米技术。量子点材料制备有2种方法:一是在半导体的衬底上用光刻腐蚀等微加工技术制造出一定图形,再在此图形上生长出量子点,这是行业常用方法。另一种是在晶格偿付片的体系中用S-K模式生产出量子点的整粒。国内在实现量子点激光器量产所需要的关键工业技术包括外延片的生产工艺以及微纳加工工艺。稍后会介绍目前这2个技术工艺在国内外发展水平。
  3、量子点激光器的应用前景
  半导体激光器在民用军用方面均有极大运用途径。民用方面涉及:光纤通信、平面显示、新一代光伏器件、单光源器件、激光打标以及光存储。军用方面涉及:各类激光武器、激光雷达、激光测速器等。随着信息技术网络飞速发展,下一代网络和云计算功能以及高速光通讯等发展要求整个传输容量越来越大,带宽越来越高,光电转化效率要求越来越高、对能耗功耗要求越来越严格,对信息传输保密性的要求越来越强,从而对核心光器件的要求越来越高。这个核心量子点激光器具备低阈值电流、高通讯保密性,高光转换效率、更强的干涉性,这些特点使其能取代传统半导体激光器。量子点激光器这些特点可以极大地改善性能,能在高速光通讯、量子通讯、图像显示、精密制造、导航、高功率激光武器等方面得到巨大的应用,是国际上极受关注的前沿研究领域。此外,因其极低的阈值电流、良好的温度稳定性,在光纤入网具有大规模应用前景,可以极大降低能耗,达到节能环保的目的。量子点激光器技术将应用在下一代网络、云计算工程集成的线路。
  4、国内外量子点激光器发展现状
  准量子点激光器芯片在国内外光电行业有大规模应用,比如PDSU等公司掌握了这些核心技术。目前国内没有厂家能够大批量产业化生产量子点激光器。比如:日本公司,他们生产的量子点激光器能在220度的温度下运作,功率达到30毫瓦;英国808纳米级量子点激光器工作温度可达180度,在该温度下,军事卫星、弹体有广阔应用空间。目前量子点激光器整个极限工作温度为95度,激光器单个晶体输出功率达几百甚至一千毫瓦,可以输出更大功率;加拿大温哥华计划利用量子点激光技术来打造数据中心,应用低成本光接收器,用于500到1000G的高速通讯,他们宣称这种技术能大幅度降低光电子器件成本。目前,国内量子点激光器基础研究水平已达国际前沿。比如,中国半导体所、上海技术物理所、中国科技大学和南京大学科研单位整个基础研究水平取得了不错的成果,并在国内获得一些奖项,也在国际著名期刊发表了不少文章。量子点激光器经过二十多年的研究与发展,已形成比较系统的理论和加工基础。一些发达国家,比如日本、美国、加拿大、俄罗斯,投入大量资源用于研究开发,他们的大规模应用指日可待。我们公司基于这样的应用前景,结合目前基础、资源,策划这样一个项目。
  5、王肇中博士为中心项目团队
  目前整个项目团队以王肇中博士为中心,他曾做过量子点激光器研究,也是法国国家科研中心光子与纳米结构实验室主任研究员。此外,我们从国外引进做外延片生长技术的专家,加上现有的内部具有十多年量子点激光器研发经验团队,组成了量子点激光器研发、批量产业化团队。
  6、量子点激光器项目进展情况
  量子点激光器是新一代量子工程研究成果,目前工程实质性研究处于刚刚起步阶段,离商用和批量化生产仍有一段时间。整个研发投入巨大,预期前期(包括厂房)3个亿左右,后期随着产业化进程的推进可能会继续加大投入。整个研发团队人员要求比较高,特别对于涉及材料、半导体、微纳加工、光电、热学相关领域的人员,需要一批高素质研发团队。目前计划随着进程推进,在现有团队基础上,从国内外引进3名在相关领域有丰富工作经验的专家。项目从量子工程延续到性能测试评估,涉及整条供应链,因而预期整个研发周期为5年左右。预计外延片的研发需要2-3年,包括后面封装测试等等。目前项目正在认证,希望通过充分认证,能更清楚地评估投入、收益、效率。
  三、问答环节全面揭示华工科技量子点激光器目前布局
  1、华工科技的生产是全产业链还是有些部分需要对外采购?华工目前的量子点激光器是否与正源类似在做全产业链的布局?
  公司目前在国外建立了一个专门研发外延片的团队。但是由于国内目前是没有一家做外延片的公司,所以公司的外延片的材料是从国外购入,然后再进行加工,接着做成芯片,公司随后的工艺是完整的。也就是说,目前华工科技的量子点激光器是买的一次外延片,公司在做二次外延和后工艺。
  2、量子点激光器具体应用于生产链的哪一个环节?光量子除了通信之外,还有没有其他的用途?
  单光子发射源有传输系统,检测系统和网络的框架和协议议程,目前主要的量子点激光器还是主要服务于物理层面的单光子发射源。单光子发射源在这个系统中作为传输光子重要的载体,也是核心的部分。每个激光器都可以发射光子,但是单光子发射却很不容易。另外,量子点激光器应用领域非常多,单光子源是实现信息传递的一种方式,如果利用其高转化效率,可以应用于工业能量,军工,医药等方面。此外利用量子点激光器的可集成性及其他的量子效应,可以应用于光子集成,特别是光子集成电路等
  3、量子点激光器的优势包括超低阈值电流密度,更高的特征温度和增益,激光的频率和更窄的带宽,那么这些优势在实际应用过程中带来的好处?
  首先量子点激光器的光转化效率很高,可以达到60%-70%左右,远超一般水平40%。也就是说在很少电流功耗的情况下能够获得很高的功率。由于云计算和数据中心领域的光模块密度非常大,功耗要求也非常高,体积也很大,这样的话通过量子点激光器就会大大的降低了能耗并同时大幅度提高了数据流量。
  另外在航空航天领域中,由于在飞行中其外壳温度十分高,所以量子点激光器在这种高温环境下大幅度减少能量消耗。同时由于光量子特殊的传输原理,其信息的保密性很高,不容易被外界探测到,这也就是军工企业重视这部分运用的原因。
  4、只有量子点激光器才可以应用到量子通信的光源,还是量子阱激光器也可以作为其光源?
  这个并非绝对的,现在形成单光子源的方式有很多。任何的一个激光器发出的激光中都是含光子的,但是普通的激光器发出的光子中不论从光子能量、波长、频率的分布来说所含信息太多,在检测过程中抓不到所要控制的分子原子的量态信息,所以没办法很好的利用。然而量子点激光器既可以利用短波长的激光脉冲来进行激发,同时也可以利用电信号也就是电脉冲来激发,所以在应用方面有很大的优势。
  5、光量子技术应用于血糖无创检测的原理是什么?世界目前有没有成型的技术?
  光量子技术应用于血糖无创检测的原理主要是利用量子点在一些微观检测方面,比如在侦查当中一个横向高清晰度的实现,这其中主要关于分辨率等原理性问题。当一个光子进行了一次照射以后,它会根据其照射物或者反应物之后会有相应的反射物质来探测,这两者之间如果我们可以控制或者探测到一些微小物质,就意味着我们获取了巨大的信息。从而我们可以更精确地探测到所要检验物质的特性。具体在血糖监测中我们可以通过监测血液粘稠度对光的变化。国外目前有相关机构在做相关产品的研发,但是还是没有临床的检验。
  6、美国提出了十五个制造业“创新中心”计划,奥巴马宣布将启动“光量子集成制造技术”计划,在这样的技术下可以实现更小的探测器在人体的血液中进行对血糖的探测,是不是集成量子技术可以研发出微小器件?
  “量子机器人”在很早之前就有这样的一个概念。这个概念的基本原理是能够制造出一个微小的器件,组成微小器件的方式是通过晶体,或者材料中最小的晶格,然后我们去控制能够组成分子或者原子可探测的系统。除了对血糖的检测,也有通过量子机器人实现对细胞的控制,应用于对癌细胞抑制的模型。也就是说其核心技术是利用器件对分子原子进行控制,进而在人体外和人体内进行系统控制,来实现所要的功能。这里面的关键词是“量子”和“集成”。说到量子的概念就是要求体积小,所以在一个单晶上面可以做发射也可以做探测;谈的“集成”的时候,就可以把电流的控制集成在单晶上面,也就是在一个材料上面把各项工作完成,这与计算机光电集成处理器的概念相似,我们可以在很小的晶元上,实现把控制与反馈的工作完成。
  7、量子点激光器有怎样的优势可以使其在未来的量子通信中成为主流?
  量子点激光器就像一个在圆形的平面上,利用一个非常小的盒子,然后把电子放入其中,这样电子就会转化为光子。因为这个盒子非常的小,这样其发出的光子就非常的“纯”,也就是说发一个电子进去,就会产生一个光子出来。这意味着他的转化效率非常的高。基于量子点激光器高转化效率、单射性和高集成性的物理特点决定了它在未来后一代半导体激光器起到了代差的作用,甚至是取代性的作用。不论我们是把它作为单光子源还是能量激光的输出源如军工的应用,都是有其独特的优势存在。
  8、量子点激光器应用的范围很广泛,包括通信,医药和军工等,那么其在这些领域的应用规模有多大,有没有一个量级的概念?
  量子点激光器应用最多的是在军工领域和高保密性的量子通信领域。包括量子能量输出和量子计算的后期都有很广阔的市场,但由于现在市场需求还不能够量化,所以我们不好说有多大规模,是千亿也好还是百亿也好。从短期来看,在军工领域和通信领域目前是十亿这个水平。
  9、在一个量子通信系统里面需要用到多少个量子点激光器,这里面量子点激光器的总价值是多少,占整个量子通信系统中多大的比例?再比如说军工领域中,是以怎样的单位卖出,比如是一套还是一个?单个的价值量是多大的量级?
  从物理层面的角度来讲,在量子通信系统中任何一个要形成支点的地方我们都认为它需要一个发射源来进行一个相关的光子载体传输。因为目前我们公司主要专注于元器件的开发,所以在这个部分在整体系统的情况下给您一个很准确的答复,这个地方比较抱歉。第二个部分就是在激光武器这一块,激光武器主要利用量子点激光器的能量输出,目前来看的话可以把量子点激光器做成大型激光炮的,也有做成单兵激光武器的,在这种情况下不能以单支或者多少支来计算,主要还是根据功率的划分。这样才能做实际的产品中进行统计。
  10、一个量子点激光器的成本大概是多少,这个能有一个量化的估计吗?
  光通讯的发展会在5-10年出一个新的技术,这个技术会从开始到成熟再到市场接受的一个过程。对于成本这个问题来说,事实上能够应用到的这些领域起初还是在一些军工,还有一些产生价值很高的领域。随着这个应用领域的拓宽,它的这个的供应链,包括材料,加工工艺成熟度,产品设计成熟度,能够驾驭该技术的人力的要求逐步降低以后,成本才会随之降下来。在这种情况下,它会逐步取得量子阱,从而他的范围才会更加广。也就是说我们在前期没办法非常好的评估它的价值。只是目前来说军工口目前很重视这个技术,注重这个技术在产业链的发展价值。
  11、现在量子阱在量子通信有没有一个实际的应用,它的价值大概是多少?
  量子阱激光器目前来说,一颗光源10G速率的是10到15个美金不等。25G速率的可能是100-150美金。另外对于大功率的,1000W-2000W价值就会达到几万块一个光源。也就是说不同领域的芯片机制是不等的。
  12、今年与去年相比,各块业务的发展情况?每年到年底的管理费用会增加比较多,是因为有些研发费用的确认,请问今年整个的管理费用和研发费用与去年相比是怎样的一个趋势?
  今年主要是基于技术的沟通和交流,我们华工科技和深交所预沟通是在11月30号三季报对外披露,关于一些业绩的核心数据暂时不方便回答您的问题。关于三季度业绩的披露我们之后会和大家进行深入的交流。
  13、我们的下流应用领域中有没有哪个具体的行业已经处于少量的试用阶段或者批量生产阶段,请问公司各位领导有哪些行业会率先应用这个技术?
  准量子之间的激光器,它发展的速度是非常的快的,它基本是按照每年30%的速度发展。目前包括我们公司和国内的一些同行都在进行这一方面的研发,希望尽快能够打破国外的垄断。另外象日本的QDlaser在这一领域是在日本做的最快的公司,这些样品出来以后,国内公司如华为也是十分关注的,也在拿国外的样品探测。还有象英国的INTENCE这家公司是服务于军工探测等领域,包括在美国激光炮的测试。也就是说一旦技术成熟起来,应用前景是十分广阔的。另外这个技术和产品的研发主要还是集中在个别的企业中,当整个供应链的竞争变得强烈的时候,成本下降,市场需求上升。还有目前的LED灯能耗大,光功率和密集度都很低,正是量子点激光器有以上的物理特性,它也可以应用于光伏产业。
  14、量子点激光这样前沿的技术是否与华工科技现有的一些激光产业存在互补,使得整个产业链更完善?
  目前来说,华工科技的产业中包括激光的切割,光通讯等与公司整个的产业链发展路径相符。虽然现在图像显示与光伏产业超出了目前公司产业链的领域,但是在我们公司把技术完善以后,便有机会开拓更广的应用领域。
  15、国内量子通信研发的企业多不多?公司目前处于一个什么水平?公司生产研发的进度是怎样的?另外,华工科技与军工、通信企业的合作很多,那么其他类似的企业在合作方面是否比我们公司先进,还有我们在产业化方面有何打算?
  光通信的产业化主要有华工这边,另外就是复旦,所以产业化只有这两家企业。量子点激光的技术研究主要是由王肇中教授,还有国外四五个做外延片的资深专家。所以我们拥有这样的一个具有十几年技术领域经验的团队与平台,所以我们的发展速度是十分快的,虽然目前我们的同行有发展三十年的,但是我们在这十年的发展中已经可以和他们不分上下了。加上我们企业还是很开放的,可以吸纳与整合新资源,所以我们有信心做好这块领域。国内目前还是有一些研究所在这方面做研究,并且有一部分的技术成果的。但从企业的量产化方面,我们华工科技还是独一家。我们的团队还是基于整个技术的应用,产业化和市场化。
  16、在量子技术里面,我认为有两个很重要的应用:量子通信和量子计算机,哪一个领域大规模产业化的速度会更快?
  从目前技术的成熟度来看,量子通信的产业化会更快一些,因为量子通信有几个重大学科包括单光子源,检测检验技术,量子密码技术,通信系统的组建等已经有了成熟的样品。而量子计算机目前还只是一个概念,它面临的挑战在于归集材料以及更小尺度还有如何实现信息的储存和计算,但更多的情况下还是要将理论的基础要建立好。

中国科学家在量子电脑上演示人工智能

合肥中国科技大学的科学家在预印本网站发表论文,宣称首次演示了量子人工智能。 他们的量子计算机能识别手写的字符。 机器学习算法是使用一组训练数据集学习如何识别图像的特征,然后使用学到的知识去发现新图像集的相同特征。

训练数据集中图像数量和特征复杂度的增加,任务 解决所需时间会以多项式时间增加。量子计算机的并行处理能力被认为能加快这一过程。理论物理学家去年曾设计了一个量子算法,能在对数时间而不是多项式时间 内解决问题。中科大的科学家训练他们的机器去区分手写的6和9的区别。

商用量子计算机引争议 科学家称未超越传统电脑

近几年来,由加拿大D波公司生产的全球首批商用量子计算机争议不断。瑞士和美国研究人员19日在《科学》杂志上发表论文说,在他们的测试中,D波量子计算机的整体计算性能并没有超过传统计算机,没有观测到所谓“量子加速”的证据。

  量子计算机与传统计算机的一个主要区别是,传统计算机使用1和0存储信息并进行计算,而量子计算机使用的量子比特所能包含的信息则要多得多,理论上量子计算机的计算速度会大大超越传统计算机。

  2007年,D波公司宣布成功研制全球首台商用量子计算机,尽管在量子性等方面存在争议,但仍于2011年和2013年卖给美国洛克希德-马丁公司和谷歌公司各一台,其中卖给谷歌的量子计算机速度据称比普通计算机快3.55万倍。

  美国南加州大学量子信息科技中心博士后王智慧对新华社记者说,大多数从事基础量子计算研究的实验室,所研究的系统涉及的量子比特数目仅为个位数,而D波量子计算机的比特数目达到512,已经初步具有解决实际问题的规模。因而对其计算速度的研究,特别是与传统计算机在速度上的比较就成为亟待解决的一个问题。

  王智慧是此次《科学》杂志论文的共同作者。她说,这项研究的重要意义就在于给出了“一个合理评估的标准程序”,主要内容是量子计算机能否带来整体计算速度的提高,即所谓“量子加速”。具体来说,他们测量了问题难度提升时D波量子计算机与传统计算机所分别增加的计算时间,如果存在“量子加速”,那么量子计算机增加的计算时间应该比传统计算机少得多。

  在对洛克希德-马丁公司的D波量子计算机的测试评估中,研究人员没有找到“量子加速”的证据。王智慧说:“我们确实发现,在大批问题样本中,对某些具体问题的计算,量子芯片运行经典算法比传统计算机快。但就样本整体而言,我们没有探测到‘量子加速’。”

  王智慧特别强调:“这并不意味着量子计算机不会超越经典计算机,因为有很多因素会掩盖‘量子加速’。”

  她说,此次所研究的只是一类问题,有可能并非是量子计算机能最大限度发挥其长处的一类问题,有一些因素如输入问题参数的精度、操作温度等都会影响芯片的计算性能,“因而我们还是期待更确切的量子加速证据会在后续研究或者下一代更大更好的芯片中探测到”。

  D波公司商业发展主管科林·威廉斯在接受《科学》杂志采访时反驳称,此项研究中所使用的问题太过简单,无法表现量子芯片的性能,“并非探测‘量子加速’的最佳选择”。此前,D波公司共同创始人乔迪·罗斯还曾公开抨击此次研究的负责人、瑞士苏黎世联邦理工学院物理学家马蒂亚斯·特罗耶,称他的工作是“一派胡言”。(记者林小春)

我国光学量子计算和量子保密通讯研究“前沿阵地”探秘

量子比特”“量子纠缠”“拓扑量子纠错”……随着量子计算研究不断深入,一个个拗口生僻的专业词语频繁出现在大众传媒上。量子计算离我们有多远?它的未来到底什么样?中国在这个领域处于什么地位?带着许许多多问题,记者走进我国光学量子计算和量子保密通讯研究的“前沿阵地”——中国科大微尺度物质科学国家实验室。

我国光学量子计算和量子保密通讯研究“前沿阵地”探秘

  中国科大微尺度物质科学国家实验室的科学家们通过实验成功制备出国际上纠缠光子数最多的薛定谔猫态和可以直接用于量子计算的簇态,刷新光子纠缠和量子计算领域的两项世界纪录。资料照片

  “这个成果,形象说明了这是一个你追我赶的领域。”与科学家的对话,始于光明日报4月1日的奥地利科学院量子光学和量子信息研究所领导的国际研究小组成功使两个光量子的纠缠态达到103维的报道。作为光学量子计算领域的前沿学者,中国科大微尺度物质科学国家实验室教授陆朝阳介绍,量子纠缠是量子信息技术中的核心“资源”,多粒子高维纠缠态研究则是竞争最为激烈的领域。陆朝阳评价,奥地利小组实现了由两个光子103维的轨道角动量形成的纠缠态,所蕴含的信息空间达到10609维,在信息维度上,创立了一个新的世界纪录。

  “300个纠缠光子的存储能力将超过宇宙所有粒子的总和。”陆朝阳教授用这样的“换算”说明科学家高度重视量子纠缠研究的原因,也证明了未来量子计算机的发展前途不可限量的观点。陆朝阳介绍,2000年,美国国家标准局在离子阱体系上首先实现四离子的纠缠态。2004年,中国科大微尺度物质科学国家实验室潘建伟小组打破这一纪录,在国际上首次成功实现对五粒子纠缠的操纵。2007年,潘建伟小组又率先突破六光子纠缠。2012年,潘建伟小组再次刷新纪录,在世界上首次实现八光子纠缠。即使到目前,在光子数操纵战略高度,潘建伟小组依然遥遥领先于国际上的其他小组。

  陆朝阳告诉记者,作为中国光学量子计算研究的代表,潘建伟团队是国际上最早开始光量子计算机研究并最卓有成效的几个先驱小组之一。十年来,潘建伟团队实现了量子纠错所需要的最少量子比特数目、可预报光子控制非门操作、量子比特的概率性远程克隆、光量子计算机实现大数分解量子肖尔算法、量子容失编码、量子模拟任意子的分数统计、可容错光子逻辑门、非簇态的单向量子计算、拓扑量子纠错、线性方程组量子算法等“国际首次”。英国《新科学家》杂志在“中国崛起”特刊中评论:“中国科学技术大学——因而也是整个中国——已经牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”。

  “我们计划未来十年左右的时间可以演示超越现在所使用的四核笔记本电脑的计算能力。”陆朝阳告诉记者,在教育部2011计划、中科院卓越中心、自然基金委、科技部的支持下,中国科学家的下一个目标,是实现十光子的纠缠和六光子十八比特的超纠缠,计划实现最高262144维量子态。利用量子点已经产生了国际上最高品质的确定性单光子源,在未来十年左右时间实现20~30个光子的操纵。同时,正在积极布局三个最有应用前景的战略领域:基于超冷原子和分子的量子模拟技术,基于光晶格的量子计算,以及基于超导线路量子比特的固态量子计算机。“我们希望通过不懈的努力,努力实现在量子计算领域达到从‘部分领先’到‘全面领先’的跨越!”陆朝阳表示道。

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  人类历史上第一台真正意义上的电子计算机诞生于1946年,从20世纪70年代开始大规模使用。作为20世纪最先进的科学技术发明之一,它对人类的生产和社会活动产生了极其重要的影响,并以强大的生命力飞速发展。

  普通计算机的最基本的数据单元是比特,通过比特处于0或者1表示的开关状态,实现运算。经过从电子管、晶体管到大规模集成电路的发展,现在计算机已经拥有了异常强大的计算能力。但即便如此,仍然有药物设计、大数据分析、新材料研究、气象预报等许多计算任务无法快速完成。因此,克服这些挑战驱使我们去研制全新工作原理的计算机器。

  微观世界的量子力学原理为人类提供了一个可能的全新计算模式——量子计算机。量子计算机中的对应的单元是量子比特,在一个时间里,量子比特可以同时处于0和1的叠加态。这就提供了非常巨大的存储空间和逻辑并行能力,使超越经典计算机成为可能。

  随着量子计算研究的不断深入,量子计算机的前景不可限量。当量子计算机应用之时,现在的密码破译、天气预报、科学研究等等难题,便可以迎刃而解。

上海光源用户在稀磁半导体量子体系的研究中取得新进展

稀磁半导体具有奇异的光、电和磁特性,在未来的量子计算机及自旋电子学器件中有着广泛应用前景。稀磁半导体体系的磁性决定于磁性离子之间的磁相互作用,如何对这一磁相互作用进行调控是当前稀磁半导体研究领域的核心问题。

近期,中国科学技术大学教授韦世强课题组在稀磁半导体量子点的磁性操纵方面取得了重要进展。针对磁性离子间固有的反铁磁相互作用抑制了稀磁半导体量子点磁性可调这一科学难点问题,他们首次从理论上提出可以通过形成量子点核壳结构来调控掺杂磁性离子能级在带隙间的相对位置,进而操纵磁相互作用的方法。在实验中,他们在5nm直径的Co掺杂ZnO量子点外面包覆一层0.5 nm厚的半导体材料ZnS或Ag2S壳层以后,成功地将Co离子之间的反铁磁相互作用转变成铁磁相互作用。在上海光源BL08U1-A和BL14W1实验站,研究人员获得的软、硬X射线吸收谱学实验结果,印证了包覆ZnS或Ag2S壳层引起的Co3d能级在ZnO带隙间位置的改变是导致ZnO量子点中掺杂Co离子间磁性相互作用转变的微观原因。

该研究成果以Realizing Ferromagnetic Coupling in Diluted Magnetic Semiconductor Quantum Dots 为题发表于美国化学会的J. Am. Chem. Soc.(2014, 136, 1150-1155)。

(A)样品的Co L2,3边XAS (B)样品的O K边XAS (C)样品的Co K边径向结构和k2(k)函数

(A)样品的Co L2,3边XAS (B)样品的O K边XAS (C)样品的Co K边径向结构和k2(k)函数来源上海应用物理研究所)

量子计算机优势在哪里?NASA 和 Google 也在探索中

今年 5 月,Google 和 NASA 共同建立了量子人工智能实验室,购入一台 D-Wave Two 型量子计算机。关于 D-Wave 是否属于真正的量子计算机,学术界一直存在争论。目前来说,Google 和 NASA 也搞不懂 D-Wave 的优势。他们仍然在探索阶段。

“我们组建了蓝队和红队,他们互相竞争,”Google 的发言人告诉 Wired,“蓝队提出一些量子计算机所擅长解决的问题,而红队改善经典算法,以跟进或者超越它。”目前来说,Google 仍然没有发布任何结果,不过,公司表示说,他们有信心找到适合于量子计算机的新挑战。

与此同时,NASA 也在探索 D-Wave 的能力。它在量子计算机上运行各种模拟软件,用于支持国际空间站和其它超级计算任务。Ames 研究中心探索技术部的副主任 Rupak Biswas 说,量子计算时代已经到来。

D-Wave 与传统的计算机不同。它需要与地球的磁场隔离开来,某些部件必须保持在零度。启动它需要一个月的时间,而且它的内部工作原理是一个谜。实际上,它是否属于真正的量子计算机,仍是一个有争议的问题。D-Wave 展示出量子计算机的特征,而且在解决某些问题上有优势,但并不是所有事情都擅长。NASA 在上面做了一些早期测试,以理解它能够解决何种问题。

未来,NASA 计划将其用于更多方面,比如为探索新星球的航空器规划路线,或者分析来自外太空观察站的各种数据。“这样说吧,你有许多卫星,还有许多探索项目。你试图为这些项目做出计划,安排时间。这是一个 NP 困难问题。”Biswas 说。

目前,NASA 凭借经验来解决此类问题。他们做出一些猜想,并缩减探索空间的范围。这样做的话,管理上才能做到可控,但也意味着许多复杂的问题无法得到解决。

NASA 和 Google 都在试图理解量子计算机的运作原理。比如,是否有量子纠缠的情况发生,或者量子隧穿效应的出现。这些也是物理学家感兴趣的问题。Biswas 说,NASA 仍然不知道 D-Wave 是否能兑现承诺,甚至不知道它是否是量子计算的最好形式。“我们必须现实点”,他说,“我们在做实验,并不意味着我们能够得到更好的答案。”