本文轉(zhuǎn)載自澎湃新聞

2020年，76個光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”在求解高斯玻色取樣的特定問題上，速度是當(dāng)時最快的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)的100萬億倍。近期潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了255個光子的九章3號量子計(jì)算原型機(jī)，它針對特定問題的求解能力已經(jīng)比經(jīng)典的超級計(jì)算機(jī)快1000萬億億倍。

當(dāng)前我們正在研制第一顆中高軌量子衛(wèi)星，計(jì)劃2026年前后發(fā)射。同時，潘建偉稱計(jì)劃在中高軌衛(wèi)星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的穩(wěn)定度將達(dá)到10的-19次方，相當(dāng)于時鐘約一千億年的誤差不超過一秒?！霸?020年我們實(shí)現(xiàn)了76個光子的量子計(jì)算原型機(jī)‘九章’，‘九章’在求解高斯玻色取樣的特定問題上，速度是當(dāng)時最快的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)的100萬億倍。之后我們的系統(tǒng)進(jìn)行了不斷的升級，近期我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了255個光子的九章3號量子計(jì)算原型機(jī)，它針對特定問題的求解能力已經(jīng)比經(jīng)典的超級計(jì)算機(jī)快1000萬億億倍?！?月10日，在澳門舉辦的第三屆BEYOND國際科技創(chuàng)新博覽會（BEYOND Expo 2023）上，中國科學(xué)院院士、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉介紹了目前量子科技方面的工作和對此領(lǐng)域的未來展望。潘建偉牽頭研制了國際上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”，建成了國際上首條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”，并構(gòu)建了首個天地一體的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)雛形。

在會上，潘建偉透露，“當(dāng)前我們正在研制第一顆中高軌量子衛(wèi)星，計(jì)劃2026年前后發(fā)射。除了要實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)之外，這也為中高軌衛(wèi)星量子精密測量提供了新的平臺。”同時，潘建偉稱計(jì)劃在中高軌衛(wèi)星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的精度達(dá)到E-19（10的負(fù)19次方）水平，相當(dāng)于時鐘約一千億年的誤差不超過一秒。

中國科學(xué)院院士、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉視頻演講（圖源：BEYOND Expo 官方）

以下為演講實(shí)錄：

2022年的諾貝爾物理學(xué)獎頒給了3位量子科技領(lǐng)域的先驅(qū)，以表彰他們利用糾纏光子實(shí)現(xiàn)了貝爾不等式的違背（意味著糾纏粒子對確實(shí)是不可分離的整體特性，無法分成其中每個粒子單獨(dú)的局域性質(zhì)的組合），并因此開創(chuàng)量子信息科學(xué)。非常高興的是，在2022年諾貝爾物理學(xué)獎的新聞發(fā)布會和科學(xué)背景介紹中，都對中國科學(xué)家的相關(guān)工作進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，包括“墨子號”量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地的密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)以及我們最近的設(shè)備無關(guān)的量子密鑰分發(fā)的工作。

為了便于大家理解，首先請?jiān)试S我對量子疊加原理進(jìn)行簡要介紹。大家都知道，在我們的日常生活中，一只貓?jiān)谀骋粋€確定的時刻只能處于活或者死狀態(tài)里面的某一個。然而根據(jù)量子疊加原理，在量子世界當(dāng)中一只貓可以同時處在兩種狀態(tài)。當(dāng)把量子疊加原理拓展到多粒子體系，我們就可以得到量子糾纏的概念。例如在量子世界當(dāng)中的兩只貓，可以同時處于活和死狀態(tài)的相干疊加。這種狀態(tài)就像兩個骰子一樣，不論它們相距多么遙遠(yuǎn)，其中一個擲出的點(diǎn)數(shù)和另外一個一定是一樣的。愛因斯坦將量子糾纏的這種現(xiàn)象稱為遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異的互動。

在物理上任何兩能級的系統(tǒng)（含有兩個能級的量子系統(tǒng)）都可以用來構(gòu)建一個量子比特，比如我們可以用一個光子水平和豎直兩種極化狀態(tài)來編碼一個量子比特的信息。對于兩光子的量子系統(tǒng)就可以處在四個最大的極化糾纏之中，再通過貝爾不等式來檢驗(yàn)量子力學(xué)被定義的過程，物理學(xué)家從中發(fā)展出可對量子系統(tǒng)進(jìn)行高精度調(diào)控的量子技術(shù)，從而導(dǎo)致了量子信息科學(xué)的誕生。量子信息科學(xué)主要包括兩方面的應(yīng)用：第一，利用量子通信我們可以提供一種原理上是無條件安全的通信方式。第二，利用量子計(jì)算我們可以大幅度提高運(yùn)算。量子密鑰分發(fā)是最著名的量子通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)基于單光子的量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，QKD），從而在兩個用戶之間產(chǎn)生安全的密鑰，再結(jié)合一次一密，就可以實(shí)現(xiàn)無條件安全的信息傳輸。同時，也可以實(shí)現(xiàn)基于量子糾纏的量子密鑰分發(fā)。

在量子計(jì)算當(dāng)中，人們是利用量子比特來編碼信息，利用量子疊加原理實(shí)現(xiàn)超快的并行計(jì)算，從而在原理上可以達(dá)到指數(shù)級的加速。大數(shù)分解算法是目前最著名的量子算法，比如要分解一個300位的自然數(shù)，利用每秒運(yùn)算萬億次的經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要15萬年，而用同樣運(yùn)算速度的量子計(jì)算機(jī)則只需要一秒鐘。因此量子計(jì)算機(jī)可以應(yīng)用在破解經(jīng)典密碼、天氣預(yù)報(bào)、金融分析和藥物設(shè)計(jì)等多個領(lǐng)域。

為了實(shí)現(xiàn)廣域的量子通信網(wǎng)絡(luò)，我們可以利用光纖來構(gòu)建城域量子通信，利用量子中繼來實(shí)現(xiàn)兩個城市之間的城際量子通信，在量子衛(wèi)星平臺進(jìn)一步的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。我國科學(xué)家經(jīng)過近20年的努力，成功研制了世界上首顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號”并在2016年8月成功發(fā)射。到了2017年9月，遠(yuǎn)距離光纖量子通信骨干網(wǎng)——“京滬干線”正式開通。結(jié)合“墨子號”和“京滬干線”，我們在廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形的技術(shù)上已經(jīng)初步驗(yàn)證天地一體化的量子網(wǎng)絡(luò)在原理上可行。

而在量子計(jì)算方面，實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算機(jī)還需要長時間的努力。為了確保該領(lǐng)域的健康發(fā)展，學(xué)術(shù)界設(shè)定了三個發(fā)展階段。

第一個階段是要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的優(yōu)越性，量子計(jì)算系統(tǒng)對某些特定問題的求解速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)，展現(xiàn)出量子計(jì)算本身的優(yōu)越。

第二階段是構(gòu)建專用的量子模擬器，用來求解一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以勝任的特定復(fù)雜問題，比如高溫超導(dǎo)機(jī)制等。

最后第三階段的目標(biāo)是希望在量子糾錯的幫助下，實(shí)現(xiàn)通用的可編程量子計(jì)算。

在2020年我們實(shí)現(xiàn)了76個光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。“九章”在求解高斯玻色取樣的特定問題上，速度是當(dāng)時最快的經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)的100萬億倍。之后我們的系統(tǒng)進(jìn)行了不斷的升級，近期我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了255個光子的“九章”3號光量子計(jì)算原型機(jī)，它針對特定問題的求解能力已經(jīng)比經(jīng)典的超級計(jì)算機(jī)快1000萬億億倍。

為了在未來實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信，我們需要克服目前衛(wèi)星量子通信所面臨的難題。一是單顆的低軌衛(wèi)星沒辦法直接覆蓋全球；二是目前的衛(wèi)星還只能在低區(qū)工作，而相應(yīng)的解決方案是通過發(fā)射多顆低軌衛(wèi)星來構(gòu)成一個高效率的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。也就是說在所謂量子星座的基礎(chǔ)上，我們可以發(fā)射具有更長過境時間的中高軌衛(wèi)星，以此來分發(fā)更多的密鑰。而這些方案實(shí)現(xiàn)的一個根本前提，就是衛(wèi)星能在太陽輻射的背景下工作。

在2017年的時候，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在日光背景下的遠(yuǎn)距離自由空間量子通信的地面實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了量子通信是全天可行的，實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化、低成本和輕量化的微納量子衛(wèi)星。國際上首顆微納量子衛(wèi)星“濟(jì)南一號”已經(jīng)在2022年7月發(fā)射，它載荷的重量只有20公斤，與“墨子號”相比已經(jīng)大幅度降低。當(dāng)前我們正在研制第一顆中高軌量子衛(wèi)星，計(jì)劃2026年前后發(fā)射。

除了要實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)之外，這也為中高軌衛(wèi)星量子精密測量提供了新的平臺。我們將利用中高軌量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)萬公里量級的量子糾纏分發(fā)，在未來將借助全球化的糾纏分發(fā)將多個原子糾纏起來，從而大幅度提高原子鐘的穩(wěn)定。與此同時，我們計(jì)劃在中高軌衛(wèi)星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的精度達(dá)到E-19（10的負(fù)19次方）水平，相當(dāng)于時鐘約一千億年的誤差不超過一秒。

利用高精度的光鐘和高精度的光頻標(biāo)的傳輸，就可以實(shí)現(xiàn)全球化的高精度提升，相比當(dāng)前微波授時的準(zhǔn)確度可以提高4個數(shù)量級，為新一代的秒定義提供了相應(yīng)的技術(shù)支撐。在外太空由于磁場和地球引力的噪聲極其微弱，所以在原則上光鐘的穩(wěn)定度可以達(dá)到10的-21次方。

利用超高精度的光鐘和超高精度的光頻傳輸，我們可以在外太空構(gòu)建一個干涉儀，利用干涉儀開展一些物理學(xué)基本原理的檢驗(yàn)，包括暗物質(zhì)的探測和引力波的探測等等。在量子計(jì)算領(lǐng)域，我們希望在未來的5年可以達(dá)到對數(shù)百個量子比特的相干操縱，構(gòu)建專用的量子模擬器，能幫助我們理解一些復(fù)雜物理系統(tǒng)規(guī)律，如高溫超導(dǎo)的機(jī)理，量子霍爾效應(yīng)等等。通過10至15年的努力，我們希望能夠操縱上百萬個量子比特，并實(shí)現(xiàn)量子糾錯，初步構(gòu)建可編程的通用量子計(jì)算機(jī)。

文丨澎湃新聞記者 邵文