瞭望 《瞭望》專訪中國科學院院士潘建偉：量子科技關乎國家戰略 唯有不斷突破創新
“九章”和“祖沖之二號”的成果，使得我國成爲目前唯一在兩種物理體系都實現“量子計算優越性”的國家，牢固確立了量子計算研究國際第一方陣的地位
文 |《瞭望》新聞週刊記者 徐海濤 周暢 陳諾
2016年8月，“墨子號”量子科學實驗衛星發射升空，標誌着我國走向全球量子通信研究的引領地位。2020年12月，中國科學技術大學宣佈該校潘建偉等成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，使我國成爲全球第二個實現“量子計算優越性”的國家。2021年10月，113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”宣佈誕生。
從“墨子號”到“九章二號”，中國科學院院士潘建偉心中不變的是對量子世界的探索和對我國量子科技發展的追求。
潘建偉告訴《瞭望》新聞週刊，量子科技關乎國家戰略，心懷“國之大者”，唯有不斷突破創新，要努力探索更加靈活高效、資源整合的協同創新之路，使我國量子科技發展始終走在世界前列。
2015年5月26日，潘建偉在中科大上海研究院的實驗室裡調試設備 張端攝/本刊
“中國人一樣可以做好科研”
《瞭望》：爲何給世界上首顆量子科學實驗衛星起名“墨子號”？
潘建偉：現在看發射錄像感覺很輕鬆，但其實在發射前30秒，我一直雙手合十，希望衛星能成功進入太空。給這顆衛星取名“墨子號”，是因爲墨子是中國歷史上的“科聖”，想告訴大家：中國人一樣可以做好科研。
墨子生活在2400年前，他主張兼愛、非攻，也就是平等博愛、反對戰爭。他在《墨經》裡提出“止，以久也，無久之不止”，說的是一個物體之所以會停下來，主要因爲受到力的作用，如果沒有阻力的話，一個物體的運動是永遠不會停止的，這其實與牛頓第一運動定律是相同的概念。此外，墨子在2000多年前就做過小孔成像實驗。我們知道光只有沿着直線傳播纔會有這種現象。
我們將世界上首顆量子科學實驗衛星取名爲“墨子號”，一方面是爲了紀念墨子在光學研究方面取得的成就，同時也爲彰顯我們的文化自信。
《瞭望》：“墨子號”起到了什麼樣的作用？
潘建偉：利用量子衛星建立量子通信網絡，可以在全球範圍內覆蓋各類海島、遠洋船舶、駐外機構等光纖難以或者無法到達的地方，保障我國在全球範圍的信息傳輸安全。“墨子號”的實驗充分驗證了這一可行性。
“墨子號”已順利完成三大科學實驗任務。在此基礎上，又完成了“墨子號”和“京滬幹線”的對接，實現了洲際量子保密通信。此外，“墨子號”還對量子力學與引力的融合等物理學基本問題檢驗提供了新的平臺。
量子計算研究位於國際第一方陣
《瞭望》：成功構建量子計算原型機“九章”的意義是什麼？
潘建偉：根據當時最優的經典算法估計，“九章”對高斯玻色取樣問題的計算速度，比世界最快的超級計算機“富嶽”快一百萬億倍，從而在全球第二個實現了“量子計算優越性”。取名“九章”，則是爲了紀念中國古代著名數學專著《九章算術》。
實現2020年這次突破，我們其實歷經了20年的努力。“九章”的突破，主要攻克了三大技術難關：高品質量子光源、高精度鎖相技術、規模化干涉技術。
今年以來，我們團隊進行了一系列概念和技術創新，近期成功研製出“九章二號”。我們主要有三大突破，首先顯著提高了量子光源的產率、品質和收集效率，將光源關鍵指標從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，操縱的光子數從76個增加到113個。第三，新增了可編程功能。
結果顯示，“九章二號”的算力實現巨大提升。根據目前已發表的最優經典算法，“九章二號”求解高斯玻色取樣問題的處理速度，比全球最快的超級計算機快億億億倍，比76個光子的“九章”快100億倍。目前的“九章二號”還只是“單項冠軍”，只能求解高斯玻色取樣這一特定問題，但對這一問題的求解在圖論、量子化學等領域具有潛在應用價值。
《瞭望》：量子計算包括多條技術路線，我國在超導量子計算上的佈局是怎樣的？
潘建偉：除了光量子計算，我們在超導量子計算方向也有較好的佈局。
今年5月，我們構建了當時超導量子比特數目最多的62比特超導量子計算原型機“祖沖之號”，實現了可編程的二維量子行走。在“祖沖之號”的基礎上，我們採用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規模比特集成的問題，研製成功“祖沖之二號”，實現了66個數據比特、110個耦合比特、11路讀取的高密度集成。通過量子編程的方式，我們實現了對量子隨機線路取樣，演示了“祖沖之二號”可用於執行任意量子算法的編程能力。根據目前已公開的最優化經典算法，“祖沖之二號”對量子隨機線路取樣問題的處理速度比目前最快的超級計算機快千萬倍以上，比谷歌的同類型原型機“懸鈴木”快約四萬倍。
“九章”和“祖沖之二號”的成果，使得我國成爲目前唯一在兩種物理體系都實現“量子計算優越性”的國家，牢固確立了量子計算研究國際第一方陣的地位。
奮進量子信息戰略技術
《瞭望》：量子信息技術的發展會給我們帶來什麼？
潘建偉：量子信息技術不僅是我國的戰略技術，也已經成爲歐美主要發達國家的重要戰略佈局。正如晶體管是計算機的基礎，激光技術是現代互聯網的重要支撐，導航技術的發展離不開原子鐘等精密測量技術的支撐……量子力學的建立直接催生了現代信息技術的發展。經過百餘年的發展歷程，量子力學已經爲解決我們目前遇到的一些問題做好了技術上的儲備。
量子通信提供了原理上無條件安全的通信方式，可以大幅提升現有信息系統的安全性。
量子計算的計算能力隨着量子比特數目的增加呈指數增長。量子計算並行運算的能力，可用於代數分解、求解線性方程組等。如利用萬億次經典計算機分解300位的大數，需要15萬年，但是利用萬億次量子計算機，只需要1秒。因此，量子計算顯現出強大的潛能，可用於經典的密碼破譯、氣象預報、金融分析、藥物設計、揭示新能源新材料機制等等多種應用。
《瞭望》：你接下來的目標是什麼？
潘建偉：在量子計算領域，國際學術界定義了3個階段性的目標，第一階段目標已經達到了。第二階段是完成量子糾錯的原理實現，研製相干操縱數百個量子比特的專用量子模擬機，應用於組合優化、量子化學、機器學習等特定問題，指導材料設計、藥物開發等。達到該階段需要5至10年，是當前的主要研究任務。
在量子通信領域，我們希望通過10到15年的努力，發展出完整的天地一體廣域量子通信的相關技術，並推動量子通信在金融、政務、能源等領域的廣泛應用。同時，利用廣域量子通信發展出來的高精度光量子傳輸技術和空間量子科學實驗平臺，構建高精度的時間頻率傳輸網絡，對下一代“秒”定義作出重要貢獻。在此基礎上，我們希望能夠開展對引力波探測、暗物質搜索等物理學基本問題的研究。■