圖為“九章”量子計(jì)算機(jī)光量子干涉實(shí)物圖。 　　新華社發(fā)

2022年9月4日，在北京，一家參展企業(yè)代表在2022年國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全宣傳周網(wǎng)絡(luò)安全博覽會(huì)上介紹量子加密對(duì)講。 　　新華社記者 劉軍喜攝

2022年11月4日，參觀者在北京舉行的“奮進(jìn)新時(shí)代”主題成就展上觀看可編程量子計(jì)算系統(tǒng)“祖沖之號(hào)”模型。 　　陳曉根攝（人民視覺(jué)）

圖為介紹量子計(jì)算機(jī)用途的科普?qǐng)D。 　　資料圖片

　　近日，一則關(guān)于量子科技的新聞引起了社會(huì)關(guān)注。繼2017年起先后完成10比特、12比特、18比特的真糾纏態(tài)制備之后，在量子科技領(lǐng)域一直走在世界前沿的中國(guó)科學(xué)家最近又刷新一項(xiàng)世界紀(jì)錄——成功實(shí)現(xiàn)51個(gè)超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證，刷新所有量子系統(tǒng)中真糾纏比特?cái)?shù)目的世界紀(jì)錄，并首次演示了基于測(cè)量的變分量子算法。

　　從“墨子號(hào)”飛向太空到量子計(jì)算機(jī)研制成功，時(shí)至今日，中國(guó)的量子科技已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到部分領(lǐng)跑的歷史飛躍，量子通信研究穩(wěn)居國(guó)際引領(lǐng)地位，量子計(jì)算研究牢固確立國(guó)際第一方陣地位，量子精密測(cè)量研究多個(gè)方向進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先行列。這也意味著，在“天地一體化”、大數(shù)據(jù)等“深藍(lán)”技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)的發(fā)展正在加速。

　　這一切，離不開(kāi)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（中國(guó)科大）中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉院士的研究團(tuán)隊(duì)。

　　潘建偉院士主要從事量子光學(xué)、量子信息和量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題檢驗(yàn)等方面的研究。作為國(guó)際上量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域的開(kāi)拓者之一，他是該領(lǐng)域有重要國(guó)際影響力的科學(xué)家。利用量子光學(xué)手段，他在量子調(diào)控領(lǐng)域取得了一系列有重要意義的研究成果，尤其是他關(guān)于量子通信和多光子糾纏操縱的系統(tǒng)性創(chuàng)新工作使得量子信息實(shí)驗(yàn)研究成為近年來(lái)物理學(xué)發(fā)展最迅速的方向之一。

　　量子飛躍，未來(lái)可期，用量子研究助力中華民族的偉大復(fù)興，是潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的夢(mèng)想。正是對(duì)這個(gè)夢(mèng)想的不懈追逐，讓潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)成為世界量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。

　　量子之夢(mèng)源于報(bào)國(guó)

　　2018年12月18日，在慶祝改革開(kāi)放40周年大會(huì)上，潘建偉被授予“改革先鋒”稱號(hào)。在與大學(xué)生交流時(shí)，潘建偉談起了自己的少年時(shí)代。

　　1987年，17歲的潘建偉考入中國(guó)科大近代物理系。在這里，潘建偉了解到許多科技前輩的感人故事。潘建偉對(duì)大學(xué)生們說(shuō)：“很多外國(guó)人不明白，中國(guó)當(dāng)時(shí)條件那么差，為什么能夠完成‘兩彈一星’的壯舉？正是由于大批具有家國(guó)情懷的科學(xué)家，為了國(guó)家的科技事業(yè)奉獻(xiàn)了自己的一切。”

　　在中國(guó)科大，潘建偉被量子理論的神秘深深吸引。隨著研究的深入，潘建偉感覺(jué)到，量子力學(xué)中的各種奇妙的現(xiàn)象，需要更尖端的實(shí)驗(yàn)技術(shù)才能得以驗(yàn)證。因此，年輕的潘建偉決定出國(guó)深造，進(jìn)入奧地利因斯布魯克大學(xué)攻讀博士學(xué)位。這次留學(xué)，潘建偉不僅為了自己的夢(mèng)想，更是為了心中那個(gè)更大的中國(guó)夢(mèng)。

　　2001年，潘建偉回到中國(guó)科大，在主管部門的經(jīng)費(fèi)支持下，開(kāi)始籌建實(shí)驗(yàn)室，組建研究團(tuán)隊(duì)。2004年，潘建偉研究組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)五光子糾纏和終端開(kāi)放的量子隱形傳態(tài)�！蹲匀弧冯s志發(fā)表了這一成果，并稱贊他們“完成了一次壯舉”。該成果同時(shí)入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)和美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選出的年度國(guó)際物理學(xué)重大進(jìn)展，這是中國(guó)科學(xué)家的“第一次”。

　　潘建偉說(shuō)，讓他感到驕傲的是，這表明國(guó)內(nèi)研究組在光量子信息方面的工作已經(jīng)躍居國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　2003年，潘建偉提出衛(wèi)星量子通信這一在國(guó)際上沒(méi)有先例的設(shè)想。中國(guó)科學(xué)院支持潘建偉團(tuán)隊(duì)先期開(kāi)展地面驗(yàn)證試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，當(dāng)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的積累已比較充分時(shí)，中國(guó)科學(xué)院又迅速?zèng)Q策，于2011年在國(guó)際上率先啟動(dòng)了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。

　　為了推進(jìn)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的研制，中國(guó)科學(xué)院統(tǒng)籌協(xié)調(diào)了上海技術(shù)物理研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、國(guó)家空間科學(xué)中心等院內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢(shì)研究力量，與中國(guó)科大一起協(xié)同攻關(guān)。潘建偉認(rèn)為，中國(guó)目前科研環(huán)境最大的優(yōu)勢(shì)就是可以集中力量辦大事。正是由于中國(guó)科學(xué)院的果斷決策和快速部署，使得中國(guó)在量子太空競(jìng)賽中占據(jù)先機(jī)。

　　量子通信走在前列

　　2016年8月，由潘建偉團(tuán)隊(duì)研制的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。這是由中國(guó)完全自主研制、世界上第一顆空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，為中國(guó)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

　　據(jù)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師王建宇介紹，“墨子號(hào)”在軌測(cè)試階段全面完成了衛(wèi)星平臺(tái)測(cè)試、有效載荷自測(cè)試和天地一體化鏈路測(cè)試，成功構(gòu)建了星地單向、星地雙向、地星單向量子信道，可以滿足空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。“墨子號(hào)”在世界上首次建立了天地一體化量子通信實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，具備了開(kāi)展空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件。

　　“墨子號(hào)”的主要應(yīng)用目標(biāo)是通過(guò)衛(wèi)星和地面站之間的量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)星地量子保密通信，并通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的量子保密通信。它可以在外太空以10kbps（千字節(jié)/秒）的速率給地面站分發(fā)量子密鑰，比地面同距離光纖量子通信水平提高了20個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這項(xiàng)技術(shù)突破使得中國(guó)在國(guó)際上率先具備了星地量子通信能力。

　　“墨子號(hào)”的另一前沿研究目標(biāo)是在量子物理基本問(wèn)題檢驗(yàn)領(lǐng)域：即通過(guò)千公里量級(jí)的量子糾纏分發(fā)，首次在空間尺度檢驗(yàn)量子力學(xué)的非定域性，并利用量子糾纏在地面和衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。此舉將使得人類首次具有在空間尺度開(kāi)展量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，并為未來(lái)在外太空開(kāi)展廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的檢驗(yàn)做好了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)準(zhǔn)備。

　　“墨子號(hào)”是中國(guó)在過(guò)去20年間大力發(fā)展量子信息技術(shù)的一個(gè)縮影�！耙�?yàn)橹袊?guó)在這個(gè)領(lǐng)域起步較早，也得到國(guó)家重視，所以一直保持一定優(yōu)勢(shì)�！迸私▊ソ榻B，針對(duì)廣域量子通信的發(fā)展，國(guó)際上有3種技術(shù)路線：通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)城際量子通信；通過(guò)衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信。

　　中國(guó)在實(shí)用化城域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)方面已經(jīng)取得了較多進(jìn)展。如2007年，實(shí)現(xiàn)了光纖量子通信的安全距離首次突破100公里；2008年，建成首個(gè)全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；2012年，建成46個(gè)節(jié)點(diǎn)的規(guī)�；�量子通信網(wǎng)絡(luò)，并將“基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)”投入永久運(yùn)行。

　　在基于可信中繼的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，中國(guó)已建立光纖總長(zhǎng)超2000公里的京滬干線，覆蓋四省三市共32個(gè)節(jié)點(diǎn)，是世界上最遠(yuǎn)距離的基于可信中繼方案的量子安全密鑰分發(fā)干線，于2017年8月底完成驗(yàn)收。目前，量子京滬干線已接入包括金融、電力、政務(wù)等上百多家行業(yè)用戶，并通過(guò)多種安全性測(cè)試。

　　而第三種發(fā)展路線——在全球范圍內(nèi)覆蓋各類海島、遠(yuǎn)洋船舶、駐外機(jī)構(gòu)等光纖難以或者無(wú)法到達(dá)的地方，“墨子號(hào)”的發(fā)射填補(bǔ)了這一空白。

　　潘建偉說(shuō)，目前“墨子號(hào)”已順利完成了三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)�！澳�子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了北京和烏魯木齊之間遙遠(yuǎn)地點(diǎn)的量子分發(fā)，后又完成了雙向量子糾纏分發(fā)和遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，完成了“墨子號(hào)”和京滬干線的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信；并對(duì)量子力學(xué)與引力的融合進(jìn)行探索。

　　量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)“優(yōu)越”

　　作為一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，量子計(jì)算被認(rèn)為可能是下一代信息革命的關(guān)鍵技術(shù)。而作為其中“門檻”的“量子優(yōu)越性”，是指當(dāng)新生的量子計(jì)算原型機(jī)，在某個(gè)問(wèn)題上的計(jì)算能力超過(guò)了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，就證明其未來(lái)有多方超越的可能。

　　在量子計(jì)算領(lǐng)域，由于其本身對(duì)環(huán)境的干擾非常敏感，潘建偉指出，真要造出一臺(tái)通用的量子計(jì)算機(jī)大概還需要15年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)闀?huì)涉及幾百萬(wàn)量子比特的相關(guān)操縱。因此，學(xué)界定義了3個(gè)階段性的目標(biāo)：第一階段是能夠操縱50到60個(gè)量子比特，使處理某些特殊計(jì)算問(wèn)題時(shí)超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)；第二階段是能夠操縱數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)量子比特，構(gòu)建某種專用的量子計(jì)算機(jī)和量子模擬機(jī)，揭示某些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律；第三階段是構(gòu)建可編程的、通用的量子計(jì)算機(jī)。

　　中國(guó)在這些方面已取得了比較好的進(jìn)展。

　　潘建偉團(tuán)隊(duì)在2017年便構(gòu)建了針對(duì)多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計(jì)算原型機(jī)，這是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)。

　　2020年底，中國(guó)成功構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解，根據(jù)最新的經(jīng)典算法，比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快10萬(wàn)倍。

　　潘建偉團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)科大教授陸朝陽(yáng)說(shuō)，在費(fèi)曼提出量子計(jì)算的概念近40年后，“九章”在實(shí)驗(yàn)上嚴(yán)格地證明了量子計(jì)算的加速能力，把夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。和原子、離子、超導(dǎo)電路等類型的量子計(jì)算機(jī)相比，光量子計(jì)算可在室溫下、空氣中運(yùn)行，能克服量子噪聲極限，結(jié)構(gòu)亦相對(duì)比較簡(jiǎn)單。“九章”使得中國(guó)第一次進(jìn)入國(guó)際量子計(jì)算第一方陣。

　　“九章”長(zhǎng)啥樣？在安徽合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心，兩個(gè)通過(guò)光纖連接起來(lái)的長(zhǎng)3米寬1.5米的不起眼“盒子”和“盒子”里密布的光學(xué)元器件，就是“九章”。“一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生光源，另一個(gè)進(jìn)行干涉，把光信號(hào)變成電信號(hào)后引到隔壁的探測(cè)器進(jìn)行分析�！标懗�陽(yáng)的學(xué)生、“九章”論文第一作者、95后博士生鐘翰森介紹。

　　此后，潘建偉團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新。2021年，潘建偉、陸朝陽(yáng)等專家與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問(wèn)題比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快100億倍。

　　“我們主要有三大突破，首先，顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率，將光源關(guān)鍵指標(biāo)從63%提升到92%。其次，將多光子量子干涉線路從100維度增加到144維度，操縱的光子數(shù)從76個(gè)增加到113個(gè)。第三，新增了可編程功能�！标懗�陽(yáng)說(shuō)。

　　結(jié)果顯示，“九章二號(hào)”的算力實(shí)現(xiàn)巨大提升。根據(jù)已發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法，“九章二號(hào)”求解高斯玻色取樣問(wèn)題的處理速度，比“九章”快10萬(wàn)倍�！熬耪露�號(hào)”1毫秒可算出的問(wèn)題，全球“最快超算”需要上百天。

　　中國(guó)在超導(dǎo)量子計(jì)算方面也取得較好進(jìn)展。

　　2019年初，中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院實(shí)現(xiàn)了12個(gè)量子比特糾纏“簇態(tài)”的制備，保真度達(dá)到70％，打破了以往10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏的紀(jì)錄。

　　而2021年5月，中國(guó)已成功研制出62個(gè)比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”。目前，已進(jìn)一步提升到66個(gè)超導(dǎo)比特，比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000萬(wàn)倍以上。

　　潘建偉說(shuō)，中國(guó)是目前唯一一個(gè)在兩種物理系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家。

　　“目前，我們正在向量子計(jì)算的第二個(gè)目標(biāo)努力，即用量子模擬機(jī)解決重要的科學(xué)問(wèn)題。如研究高溫超導(dǎo)的相關(guān)機(jī)制，推動(dòng)量子材料本身的發(fā)展，預(yù)計(jì)會(huì)在3至5年有較好進(jìn)展。”

　　同時(shí)，潘建偉希望通過(guò)10到15年的努力，發(fā)展出能夠支撐未來(lái)天地一體廣域量子通信的相關(guān)應(yīng)用；利用10年左右的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)操縱數(shù)百萬(wàn)量子比特，為通用量子計(jì)算機(jī)的研究奠定基礎(chǔ)。

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