潘建偉院士：新量子革命

在7月27日上午的第二十三屆中國科協年會開幕式上，中國科協副主席、中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉帶來了以“新量子革命”爲題的主旨報告，探討了如何利用量子的基本性質推動信息科技進一步發展這一問題。

潘建偉院士

爭先恐後的量子競爭

2016年8月16日13時40分，中國科學院國家空間科學中心研製的“墨子號”量子科學實驗衛星，在中國的酒泉衛星發射中心成功發射升空並進入預定軌道。

“墨子號”也是世界上第一顆量子衛星，爲我國引領世界量子通信技術發展、空間尺度量子物理基本問題檢驗等前沿研究，奠定了堅實的科學與技術基礎。

今年6月份，發表於Science的一篇文章指出：“中國2017年報道的一項成果是最引人矚目的：一顆名爲‘墨子’的量子衛星將糾纏對發送到相距1200公里的兩個地面站。這一成就給美國政府敲響了警鐘，最終導致2018年美國《國家量子行動法案》的通過，該法案經時任總統唐納德·特朗普簽署而成爲法律文件，其旨在刺激美國的量子技術。”

“墨子”號發射 來源：中科院微小衛星創新研究院

“墨子號”是我國在過去二十年間大力發展量子信息技術的一個縮影。

在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上，習近平總書記多次提及量子信息技術，並指出：“要在事關發展全局和國家安全的基礎核心領域，瞄準人工智能、量子信息、集成電路、先進製造、生命健康、腦科學、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領域，前瞻部署一批戰略性、儲備性技術研發項目，瞄準未來科技和產業發展的制高點。”

量子科技領域的國際競爭日益激烈，潘建偉強調：“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。”

如美國在2018年啓動了爲期十年的“國家量子行動計劃”，2021年通過的“無盡前沿法案”則計劃爲人工智能、量子信息等研究提供1000億美元的資金；英國在2015年啓動國家量子技術專項；歐盟在2018年實施量子技術旗艦項目；德國於6.5億歐元實施《量子技術：從基礎到市場》框架計劃；法國在2021年宣佈啓動量子技術國家行動計劃……

量子力學推動了信息技術發展

在人類歷史上，產業革命總是和科學革命緊密相連，而以信息技術爲代表的產業革命主要是建立在量子力學和相對論的基礎上。

“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。”潘建偉認爲，“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。”

目前，學界對量子領域的研究已經從被動觀測轉爲對量子狀態進行主動操縱，處於第二次量子革命。

潘建偉解釋：“這一變化類似於遺傳學的發展。以往科學家主要通過統計學得到遺傳定律等宏觀規律，而隨着基因工程等技術的出現，現在已經可以在知道特定基因序列的基礎上，對相關性狀進行預測。”

科學革命與產業革命的發展歷程 來源：潘建偉院士現場報告

在信息技術領域，目前面臨着信息安全和計算能力不足等問題，量子信息技術將如何推動信息科技的進一步發展？

潘建偉介紹，基於量子調控技術，量子信息科學主要能夠提供兩種應用方式：利用量子通信提供原理上無條件安全的信息傳輸方式；利用量子計算提供超快的計算能力，揭示覆雜系統規律。

“量子是構成物質最基本的單元，也是能量最基本的攜帶者，基本特性是不可分割。”基於此特性的量子密鑰分發可確保通信的安全性，實現加密內容不可破譯。

此外，量子計算的計算能力是隨着粒子數目的增加呈指數增長。潘建偉舉例進行了說明：“利用量子計算並行運算的能力，可用於大數分解、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，而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、揭示物理量子化學、量子材料等等多種應用。

走在前列的量子信息技術

針對廣域量子通信的發展路線，國際上有三種發展路線圖：通過光纖實現城域量子通信網絡；通過中繼器實現城際量子網絡；通過衛星中轉實現遠距離量子通信。

我國在實用化城域光纖量子通信網絡方面已經取得了較多進展。如2007年，實現了光纖量子通信的安全距離首次突破100 km；2008年，建成首個全通型城域量子通信網絡；2012年，建成46個節點的規模化量子通信網絡，並將“基於量子通信的高安全通信保障系統”投入永久運行。

在基於可信中繼的城際量子通信網絡方面，我國已建立光纖總長超2000 km的京滬幹線，於2017年9月正式開通，目前即將轉入商業運營。

這些工作都在不同程度上驗證了陸地上量子通訊的可行性，也展現了我國量子通信的光纖城域網已經趨於成熟。

而第三種發展路線圖——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”的發射填補了這一空白。

“墨子號”已順利完成了三大科學實驗任務。潘建偉介紹道：“我們實現了北京和烏魯木齊之間遙遠地點的量子分發，後又完成了雙向量子糾纏分發和遠距離量子隱形傳態實驗。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’還可對量子力學與引力的融合進行探索。”

“墨子號”三大科學實驗任務 來源：潘建偉院士現場報告

在量子計算領域，學界定義了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，使處理某些特殊的計算問題時比超級計算機算到更好了，即在某個單項超越傳統計算機；

第二階段是能夠操縱數百個甚至數千個量子比特，構建某種專用的量子計算機和量子模擬機，能夠揭示某些經典計算機無法解決的複雜物理系統的規律；

第三階段是構建可編程的、通用的量子計算機。

潘建偉談到：“在量子計算領域，我國的起步較早。”

在光量子計算方面，潘建偉團隊在2017年便構建了針對多光子“玻色取樣”任務的光量子計算原型機，這是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機。

2020年年底，我國成功構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。該量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍，即“九章”1分鐘完成的任務，超級計算機需要1億年。其速度也等效地比谷歌發佈的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

“近期我們對‘九章’”進行了升級，由76個提高到113個光子，相較去年的結果進一步提升了10個數量級。”潘建偉進行了補充。

“九章”光量子干涉實物圖 來源：中國科學技術大學

此外，我國在超導量子計算方面有取得了一定的進展。

2019年初，中科院量子信息與量子科技創新研究院在一維鏈結構超導量子芯片上實現了12個量子比特糾纏“簇態”的製備，保真度達到70％，打破了以往10個超導量子比特糾纏的紀錄。

而今年5月，成功研製了62比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，計算能力比谷歌的量子計算原型機快3個數量級，並在此基礎上實現了可編程的二維量子行走。目前，已進一步將“祖沖之號”提升到66個超導比特，比谷歌快5個數量級。

“祖沖之號” 來源：arXiv

潘建偉總結道：“目前，我國是美國之外唯一一個在光量子計算及超導量子計算兩個系統都實現量子計算優越性的國家。”

向實現第二個目標邁進

“量子信息起源於對量子糾纏的研究，隨後推動了信息技術的發展。隨着我們能夠實現遠距離的量子分發，又發現這項技術可以推動對基礎物理的研究。”潘建偉提出，“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問題。”

潘建偉希望通過十到十五年的努力，發展出能夠支撐未來天地一體廣域量子通訊的相關應用。量子計算方面，他希望在五年內可以實現操縱數百到數千量子比特，從而在量子模擬方面取得一定進展，並解決量子糾錯的問題。

“我們期待，利用十年左右的時間，實現操縱數百萬量子比特，爲通用量子計算機的研究奠定基礎。”潘建偉說。

本文根據潘建偉院士在中國科協第二十三屆年會開幕式上的講話內容進行整理

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