潘建偉院士：對我國量子信息科技發展有了更大信心

文 ｜ 《中國科學報》 記者 王敏

“參觀完展覽，我很震撼，量子技術的應用已經如此廣泛了，很多成果得到了轉化。這讓我們從事量子前沿研究的科研人員有了更大信心。”在近日於合肥召開的2024量子科技和產業大會上，中國科學院院士、中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）教授潘建偉如是說。

開幕式上，潘建偉作了題爲《量子信息科技發展的現狀與展望》的主題報告。他表示：“我國在量子通信領域佔據國際引領地位，在量子計算領域處於國際第一方陣，在量子精密測量領域部分方向處於國際領先或先進水平。”

與此同時，他特別希望與科研院所、高校、企業的優勢力量一起，推進量子信息科技關鍵材料器件設備的國產化研發，提升自主創新體系化能力。

應運而生的量子信息科學

從倫琴發現X射線、普朗克提出量子論、愛因斯坦提出光量子概念，到現代量子理論的誕生……量子力學至今發展已逾百年。

“從某種意義上講，無論是能源科學、信息科學，還是生命科學、材料科學，很大程度上都得益於量子力學的建立。”潘建偉表示，量子科技革命直接催生了現代信息技術的誕生。比如，沒有量子力學，就不會有半導體，也不會有現代的通用計算機；沒有激光，就不會有光通信與互聯網；沒有原子鐘，就不會有衛星定位系統。

然而，信息科技的進一步發展面臨兩大問題。一是信息安全傳輸問題。歷史經驗告訴人們，依賴計算複雜度的經典加密算法，原理上都能被破解。正如著名作家愛倫·坡在100多年前所寫的那樣，“以人類的才智無法構造人類自身不可破解的密碼”。潘建偉說：“這說明人類不夠聰明，無法構造出不能被破解的密碼，或者說人類太聰明，可以破譯所有密碼。”

另一個問題是隨着大數據時代的到來，人類對計算能力的需求巨大，但是現有的計算能力卻相當有限。

“非常有意思的是，量子力學在百餘年的發展過程中，已經爲解決這些重大問題做好了準備。”潘建偉介紹，科學家在對量子疊加、量子糾纏這類現象進行實驗檢驗的過程中，逐漸發展出對量子狀態進行主動精確操縱的能力，從而催生出量子信息科學。量子信息科學主要包括3個方向——量子通信、量子計算與模擬以及量子精密測量。

潘建偉表示：“量子信息技術的目標就是爲構築‘量子互聯網’奠定技術基礎，利用量子感知獲取整個物理世界的各種信息，用量子通信進行信息的安全傳輸，用量子計算實現信息的高速處理，形成自主可控的未來信息技術體系。”

我國量子信息科技發展現狀

在量子通信方面，截至2023年，我國已實現光纖點對點量子保密通信最遠安全距離突破1000公里；利用可信中繼手段，我國先後建立了遠距離光纖量子保密通信骨幹網“京滬幹線”、國家廣域量子保密通信骨幹網。2016年8月，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”成功發射，在國際上率先實現千公里級星地量子通信。“墨子號”結合“京滬幹線”，構建了全球首個天地一體廣域量子通信網絡的雛形。

在量子計算方面，國際學術界公認有3個里程碑階段，一是實現量子計算優越性，即量子計算機對特定問題的計算能力超過超級計算機；二是實現專用量子模擬機，用於解決若干超級計算機無法勝任的實用問題，同時突破量子糾錯技術；三是將量子比特的操縱精度提高到超越容錯閾值的基礎上，相干操縱至少數百萬個量子比特，實現可編程的容錯通用量子計算機。

2020年，中國科大研究團隊設計和構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，這是國際上首個被嚴格證明具有“量子計算優越性”的工作。2021年，113個光子的量子計算原型機“九章二號”誕生，處理速度比超級計算機快100億倍。2023年，255個光子的量子計算原型機“九章三號”面世，處理速度比超級計算機快億億倍。

“正在測試中的‘九章四號’已超過2000個光子，計算能力將更強。”潘建偉透露。

此外，中國科大研究團隊先後構建了62個比特的“祖沖之號”超導量子計算原型機、66個比特的“祖沖之二號”超導量子計算原型機，使我國成爲目前唯一在兩種物理體系上都實現了“量子計算優越性”的國家。

12月17日，潘建偉團隊構建的“祖沖之三號”超導量子計算處理器公佈在arxiv上。“祖沖之三號”處理隨機線性採樣的速度可超過目前最快的超級計算機“前沿”1000萬億倍，超過谷歌今年10月發表於《自然》的最新進展——72比特“懸鈴木”處理器6個數量級，爲目前公開發表的超導量子計算最強優越性。

在量子糾錯方面，最近，谷歌利用105比特超導量子處理器“垂柳”，初步驗證了表面碼方案的可擴展性。據瞭解，“祖沖之三號”處理器各項性能指標與谷歌“垂柳”處理器相當，潘建偉團隊正基於“祖沖之三號”開展相關工作，將實現更大規模的表面碼糾錯。

“當前的主要研究任務是研製專用量子計算模擬機，用於解決量子化學、高溫超導機理等重要科學問題。”潘建偉說，他們已經在這一方向取得了重要進展，如2024年成功構建了求解費米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器“天元”，首次展現了量子模擬在解決經典計算機無法勝任的重要科學問題上的巨大優勢。

“要真正實現通用容錯量子計算機，至少還需10餘年甚至20年時間。”潘建偉說，要實現通用容錯量子計算機需要相干操縱至少上百萬量子比特，目前量子計算的研究重點之一就是突破量子糾錯技術，爲量子比特的大規模集成和操縱鋪平道路。

在量子精密測量方面，如在時間標準上，中國科大研究團隊扮演了重要角色，研製出70億年誤差不超過一秒的光鍾，使我國成爲繼美國之後第二個達到該綜合指標的國家。

力爭在國際科技競爭中搶得先機

展望未來，潘建偉認爲，在量子通信方面，量子中繼連接的城際量子通信網絡，經過10年左右的發展可走向實際應用；基於衛星平臺的遠距離量子通信，將通過多顆微納量子衛星構成的“量子星座”以及具有更長過境時間的中高軌道衛星，實現高效率的量子衛星網絡，從而構建完整的天地一體廣域量子通信網絡體系。

廣域量子通信網絡爲精密測量提供了全新平臺。“2027年前後，中高軌量子衛星將具備發射條件，可以實現萬公里級量子糾纏分發。這將帶來有意思的應用，例如可以構建一種非常精確的望遠鏡——量子增強的光學合成孔徑望遠鏡，大幅提升空間分辨能力。”潘建偉說。

潘建偉希望，通過10至15年的努力，研製出精度達到10-21的高精度光鍾，這相當於10萬億年誤差不超過1秒，它將爲探測中低頻段的引力波、搜尋暗物質等物理學基本原理的檢驗提供一種全新手段。

在量子計算方面，谷歌、IBM以及英國和法國政府都提出在2035年前後實現100萬個量子比特相干操縱的目標。“我國正在編制的國家量子科技相關規劃中，也提出了同樣的目標。”潘建偉說，未來3至5年，將實現數百至上千個量子比特的相干操縱，解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題；在未來10至15年，將在量子糾錯基礎上相干操縱上百萬量子比特，研製具備基本功能的容錯通用量子計算機，探索對密碼分析、大數據分析等的應用。

“在量子信息科技領域，我國和美國等世界強國站在了同一起跑線上，它是國際科技競爭中我國最有條件、最有基礎、最有可能拔得頭籌和搶得先機的重要科技領域。”潘建偉表示，“在國家的戰略部署下，我們有信心、有決心、有能力保障我國在日趨激烈的量子信息科技國際競爭中保持和擴大領先優勢，贏得戰略主動。”