圖為“九章”量子計算機光量子干涉實物圖。 　　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年國家網(wǎng)絡(luò)安全宣傳周網(wǎng)絡(luò)安全博覽會上介紹量子加密對講。 　　新華社記者 劉軍喜攝

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

圖為介紹量子計算機用途的科普圖。 　　資料圖片

　　近日，一則關(guān)于量子科技的新聞引起了社會關(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科學(xué)家最近又刷新一項世界紀錄——成功實現(xiàn)51個超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗證，刷新所有量子系統(tǒng)中真糾纏比特數(shù)目的世界紀錄，并首次演示了基于測量的變分量子算法。

　　從“墨子號”飛向太空到量子計算機研制成功，時至今日，中國的量子科技已經(jīng)實現(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)居國際引領(lǐng)地位，量子計算研究牢固確立國際第一方陣地位，量子精密測量研究多個方向進入國際領(lǐng)先行列。這也意味著，在“天地一體化”、大數(shù)據(jù)等“深藍”技術(shù)領(lǐng)域，中國的發(fā)展正在加速。

　　這一切，離不開中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（中國科大）中國科學(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隊。

　　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)問題檢驗等方面的研究。作為國際上量子信息實驗研究領(lǐng)域的開拓者之一，他是該領(lǐng)域有重要國際影響力的科學(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驗研究成為近年來物理學(xué)發(fā)展最迅速的方向之一。

　　量子飛躍，未來可期，用量子研究助力中華民族的偉大復(fù)興，是潘建偉院士團隊的夢想。正是對這個夢想的不懈追逐，讓潘建偉和他的團隊成為世界量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。

　　量子之夢源于報國

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

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

　　在中國科大，潘建偉被量子理論的神秘深深吸引。隨著研究的深入，潘建偉感覺到，量子力學(xué)中的各種奇妙的現(xiàn)象，需要更尖端的實驗技術(shù)才能得以驗證。因此，年輕的潘建偉決定出國深造，進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想，更是為了心中那個更大的中國夢。

　　2001年，潘建偉回到中國科大，在主管部門的經(jīng)費支持下，開始籌建實驗室，組建研究團隊。2004年，潘建偉研究組在國際上首次實現(xiàn)五光子糾纏和終端開放的量子隱形傳態(tài)。《自然》雜志發(fā)表了這一成果，并稱贊他們“完成了一次壯舉”。該成果同時入選英國物理學(xué)會和美國物理學(xué)會評選出的年度國際物理學(xué)重大進展，這是中國科學(xué)家的“第一次”。

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

　　2003年，潘建偉提出衛(wèi)星量子通信這一在國際上沒有先例的設(shè)想。中國科學(xué)院支持潘建偉團隊先期開展地面驗證試驗。經(jīng)過數(shù)年的努力，當各項關(guān)鍵技術(shù)的積累已比較充分時，中國科學(xué)院又迅速決策，于2011年在國際上率先啟動了量子科學(xué)實驗衛(wèi)星戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項。

　　為了推進量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的研制，中國科學(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、國家天文臺、紫金山天文臺、國家空間科學(xué)中心等院內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢研究力量，與中國科大一起協(xié)同攻關(guān)。潘建偉認為，中國目前科研環(huán)境最大的優(yōu)勢就是可以集中力量辦大事。正是由于中國科學(xué)院的果斷決策和快速部署，使得中國在量子太空競賽中占據(jù)先機。

　　量子通信走在前列

　　2016年8月，由潘建偉團隊研制的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。這是由中國完全自主研制、世界上第一顆空間量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，為中國引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

　　據(jù)量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程常務(wù)副總師王建宇介紹，“墨子號”在軌測試階段全面完成了衛(wèi)星平臺測試、有效載荷自測試和天地一體化鏈路測試，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)實驗的要求�！澳�子號”在世界上首次建立了天地一體化量子通信實驗測試平臺，具備了開展空間量子科學(xué)實驗的條件。

　　“墨子號”的主要應(yīng)用目標是通過衛(wèi)星和地面站之間的量子密鑰分發(fā)，實現(xiàn)星地量子保密通信，并通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(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個數(shù)量級以上。這項技術(shù)突破使得中國在國際上率先具備了星地量子通信能力。

　　“墨子號”的另一前沿研究目標是在量子物理基本問題檢驗領(lǐng)域：即通過千公里量級的量子糾纏分發(fā)，首次在空間尺度檢驗量子力學(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展量子科學(xué)實驗的能力，并為未來在外太空開展廣義相對論、量子引力等物理學(xué)基本原理的檢驗做好了堅實的技術(shù)準備。

　　“墨子號”是中國在過去20年間大力發(fā)展量子信息技術(shù)的一個縮影�！耙驗橹袊�在這個領(lǐng)域起步較早，也得到國家重視，所以一直保持一定優(yōu)勢�！迸私▊ソ榻B，針對廣域量子通信的發(fā)展，國際上有3種技術(shù)路線：通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；通過中繼器實現(xiàn)城際量子通信；通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遠距離量子通信。

　　中國在實用化城域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)方面已經(jīng)取得了較多進展。如2007年，實現(xiàn)了光纖量子通信的安全距離首次突破100公里；2008年，建成首個全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；2012年，建成46個節(jié)點的規(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)”投入永久運行。

　　在基于可信中繼的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，中國已建立光纖總長超2000公里的京滬干線，覆蓋四省三市共32個節(jié)點，是世界上最遠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，并通過多種安全性測試。

　　而第三種發(fā)展路線——在全球范圍內(nèi)覆蓋各類海島、遠洋船舶、駐外機構(gòu)等光纖難以或者無法到達的地方，“墨子號”的發(fā)射填補了這一空白。

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

　　量子計算實現(xiàn)“優(yōu)越”

　　作為一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式，量子計算被認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”，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統(tǒng)計算機，就證明其未來有多方超越的可能。

　　在量子計算領(lǐng)域，由于其本身對環(huán)境的干擾非常敏感，潘建偉指出，真要造出一臺通用的量子計算機大概還需要15年甚至更長的時間，因為會涉及幾百萬量子比特的相關(guān)操縱。因此，學(xué)界定義了3個階段性的目標：第一階段是能夠操縱50到60個量子比特，使處理某些特殊計算問題時超越傳統(tǒng)計算機；第二階段是能夠操縱數(shù)百個甚至數(shù)千個量子比特，構(gòu)建某種專用的量子計算機和量子模擬機，揭示某些經(jīng)典計算機無法解決的復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律；第三階段是構(gòu)建可編程的、通用的量子計算機。

　　中國在這些方面已取得了比較好的進展。

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

　　2020年底，中國成功構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“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，比當時最快的超級計算機快10萬倍。

　　潘建偉團隊成員、中國科大教授陸朝陽說，在費曼提出量子計算的概念近40年后，“九章”在實驗上嚴格地證明了量子計算的加速能力，把夢想變成了現(xiàn)實。和原子、離子、超導(dǎo)電路等類型的量子計算機相比，光量子計算可在室溫下、空氣中運行，能克服量子噪聲極限，結(jié)構(gòu)亦相對比較簡單�！熬耪隆笔沟弥袊�第一次進入國際量子計算第一方陣。

　　“九章”長啥樣？在安徽合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心，兩個通過光纖連接起來的長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”�！耙粋�用來產(chǎn)生光源，另一個進行干涉，把光信號變成電信號后引到隔壁的探測器進行分析�！标懗�陽的學(xué)生、“九章”論文第一作者、95后博士生鐘翰森介紹。

　　此后，潘建偉團隊進行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新。2021年，潘建偉、陸朝陽等專家與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級計算機快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個增加到113個。第三，新增了可編程功能�！标懗�陽說。

　　結(jié)果顯示，“九章二號”的算力實現(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”求解高斯玻色取樣問題的處理速度，比“九章”快10萬倍。“九章二號”1毫秒可算出的問題，全球“最快超算”需要上百天。

　　中國在超導(dǎo)量子計算方面也取得較好進展。

　　2019年初，中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院實現(xiàn)了12個量子比特糾纏“簇態(tài)”的制備，保真度達到70％，打破了以往10個超導(dǎo)量子比特糾纏的紀錄。

　　而2021年5月，中國已成功研制出62個比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”。目前，已進一步提升到66個超導(dǎo)比特，比目前全球最快的超級計算機快1000萬倍以上。

　　潘建偉說，中國是目前唯一一個在兩種物理系統(tǒng)都實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”的國家。

　　“目前，我們正在向量子計算的第二個目標努力，即用量子模擬機解決重要的科學(xué)問題。如研究高溫超導(dǎo)的相關(guān)機制，推動量子材料本身的發(fā)展，預(yù)計會在3至5年有較好進展。”

　　同時，潘建偉希望通過10到15年的努力，發(fā)展出能夠支撐未來天地一體廣域量子通信的相關(guān)應(yīng)用；利用10年左右的時間，實現(xiàn)操縱數(shù)百萬量子比特，為通用量子計算機的研究奠定基礎(chǔ)。

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