中国逼近“量子霸权”！科大潘建伟、陆朝阳团队实验刷新四项世界纪录

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  新智元报道 

来源：physics等

编辑：张佳、大明

中国科学家在光量子领域取得突破！

近日，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟等人与德国、荷兰的科学家合作，在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，在四大关键指标上均大幅刷新国际记录，逼近实现量子计算研究的重要目标“量子霸权”。

国际权威学术期刊《物理评论快报》日前以“编辑推荐”的形式发表了该成果，审稿人认为，这项研究突破是“一个巨大的飞跃”，“是通往实现‘量子霸权’的‘弹簧跳板’”。

美国物理学会Physics网站以“玻色取样量子计算逼近里程碑”为题对该工作做了精选报道，网站评价认为，这个实验已经接近超越传统计算机，意味着量子计算领域的一个里程碑。

据新华网、科学网等多家媒体报道，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星以及德国和荷兰的科学家合作，在国际上首次实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出了复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，其维数高达370万亿。

这个工作在光子数、模式数、计算复杂度和态空间这四个关键指标上都大幅超越之前的国际记录，其中，态空间维数比国际同行之前的光量子计算实验高百亿倍。论文以“编辑推荐”形式近日发表于《物理评论快报》（PRL）。美国物理学会Physics网站以“玻色取样量子计算逼近里程碑”为题对该工作做了精选报道。

量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速。当前，研制量子计算机已成为前沿科学的最大挑战之一，成为世界各国角逐的焦点。

其中，量子计算研究的第一个阶段性目标是实现“量子计算优越性”（亦译为“量子霸权”），即研制出能在特定任务求解方面超越经典超算的量子计算机。面向这一战略目标，潘建伟、陆朝阳研究团队长期致力于可扩展单光子源和玻色取样量子计算的研究。

光量子比特的综合性能总结，来源：新浪科技

今年早些时候，研究团队提出相干双色激发和椭圆微腔耦合理论方案，在实验上同时解决了单光子源所存在的混合偏振和激光背景散射这两个最后的难题，并在窄带和宽带微腔上成功研制出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源，相关成果被选为《自然·光子学》封面文章。

此次研究团队利用自主开发的国际最高效率和最高品质的单光子源、最大规模和最高透过率的多通道光学干涉仪，并通过与中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星在超导纳米线高效率单光子探测器方面的合作，成功实现了20光子输入60×60模式（60个输入口，60层线路深度，包括396个分束器和108个反射镜）干涉线路的玻色取样实验。

与国际同行的类似工作相比，中科大的此次实验成功操纵的单光子数增加了5倍，模式数增加了5倍，取样速率提高了6万倍，输出态空间维数提高了百亿倍。其中，由于多光子高模式特性，输出态空间达到了370万亿维数，这等效于48个量子比特展开的希尔伯特空间。

这次实验首次将玻色取样推进到一个全新的区域：无法通过经典计算机直接全面验证该波色取样量子计算原型机，朝着演示量子计算优越性的科学目标迈出了关键的一步。

PRL审稿人指出：该成果“在解决关键问题上迈出了重要几步，是个巨大的飞跃，不仅是对光量子计算能力的一次有影响力的测试，更是通往实现量子计算优越性的弹簧跳板。

美国物理学会旗下Physics网站认为：“这意味着量子计算领域的一个里程碑：接近经典计算机不能模拟量子系统的程度。

中国的量子领域，有个人不能不提，甚至在一些报道中他被冠以“中国量子之父”的称号，他就是潘建伟。

潘建伟，中国科学技术大学教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，奥地利科学院外籍院士，中科院量子信息与量子科技创新研究院院长，中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家。

世界级实验室潜心深造，把技术带回中国

1996年，在中科大近代物理系完成本科与硕士阶段学习的潘建伟，进入奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位，师从安东·塞林格。彼时，他并不知道塞林格正领衔着一个量子信息研究大型项目——在中国，当时一个科研项目的经费常常只有五万、十万元人民币，而这个项目却是一百多万欧元级别的。

在世界级实验室，潘建伟一边在一线参与实验，同时也在琢磨将来应该往什么方向发展。那时候，他就已经开始留心所学所做，打算未来将这一新兴技术带回中国。

1999年，潘建伟获奥地利维也纳大学实验物理博士学位。2001年，学成归国的潘建伟开始酝酿搭建中国的量子实验室。随着我国科研经费投入的不断增加，量子实验室从无到有，从有到强。

潘建伟的团队从2003年开始做量子卫星的实验：系列地面实验证明，通过卫星进行量子通信是可行的。在潘建伟的领导下，2016年8月，量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心发射升空，成为全球首颗量子卫星。

2017年9月，全长2000多公里的量子通信京沪干线全线贯通，采用光纤传输量子信号，实现两地量子保密通信，同时它的北京接入点与墨子号卫星连接，突破了地面光纤传输的距离短板，有观点认为，这使得量子通信全球覆盖的实现成为可能。

潘建伟团队一系列的科研成果使我国量子保密通信的实验研究和应用研究处于国际领先水平。

登上“Nature十大年度人物”

2017年，潘建伟教授登上“Nature十大年度人物”，并附上一篇新闻特写，开头写道：

在中国，有人称他为“量子之父”。对于这一称呼，潘建伟当之无愧。在他的带领下，中国成为远距离量子通信技术（利用量子定律来安全传输信息）的领导者。潘建伟结束在欧洲的学习后，于2008年回到中国潜心开展科研工作，从此点燃了中国发展量子技术的熊熊之火。美国马里兰大学的量子物理学家Christopher Monroe说：“每一次我看到他们的研究进展时，都会感到震撼。”

现如今，潘建伟已成为中国量子通信方面的领军科学家之一，带领中国的量子研究稳步向前。

2019年的一个关键词就是“量子霸权”，此前，谷歌在Nature发文实现“量子优越性”，对此，中国量子计算团队的负责人潘建伟教授认为，美国现在已经超过了中国，但这“绝对不是终点”，而潘教授的团队成员也表示，中国团队仍然有希望实现量子至上，科学和技术的“圣杯”竞赛才刚刚开始。

对此，也有不同观点认为中国相关研究起步较缓。有量子科学家称，Google在13年前启动了量子计算机程序，其他美国公司（例如IBM）也已经进行了大量投资并建造了原型机，但中国直到最近才开始类似的工作。

以上观点，也有反驳声音。就目前而言，可用的量子计算机还有很长的路要走，目前美国和中国的先进技术都没有任何实际应用。

“中美在量子计算机技术上的差距并不没有那么大。”北京大学量子物理学教授吴飚就说道，“我们还没有离开起跑线。如果有任何区别，那可能没什么大不了，因为我们离任何实际的应用程序都还很远。”

期待量子研究突破立竿见影是不切实际的，可能迫使量子研究游走在科幻小说与现实之间

如今，量子计算机产生的结果仍然可靠性仍然存疑。例如，Sycamore在进行20轮仿真后只能保证0.2％的精度。量子计算机中的粒子由于其脆弱的条件也容易受到周围环境的影响。

尽管笔记本电脑的中央处理器可以无故障运行数年，但Google量子芯片必须每隔几微秒就停止一次。

谷歌对其量子芯片的主张也受到了美国科学界一些人士的质疑。例如，IBM已经发布了一项研究，声称谷歌的量子模拟被夸大了，因为它可以在几天之内在经典计算机上完成，即使不是更快。

但是，量子计算机是人类科学技术的圣杯。它引起了政府，私人投资者和公众的极大兴趣。然而，对突破寄予立竿见影的厚望是不切实际的，并且可能迫使量子研究人员为寻求更多的资金和支持，“走在现实与科幻小说之间的狭窄道路上”。

参考链接：

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/12/434247.shtm

https://tech.sina.com.cn/d/i/2019-12-26/doc-iihnzahk0149794.shtml

http://www.xinhuanet.com/tech/2019-12/26/c_1125390873.htm

http://www.93.gov.cn/html/93gov/xwjc/snyw/191225152427601516.html