院士说 | 潘建伟院士：新量子革命

在7月27日上午的第二十三届中国科协年会开幕式上，中国科协副主席、中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟带来了以“新量子革命”为题的主旨报告，探讨了如何利用量子的基本性质推动信息科技进一步发展这一问题。

潘建伟院士

争先恐后的量子竞争

2016年8月16日13时40分，中国科学院国家空间科学中心研制的“墨子号”量子科学实验卫星，在中国的酒泉卫星发射中心成功发射升空并进入预定轨道。

“墨子号”也是世界上第一颗量子卫星，为我国引领世界量子通信技术发展、空间尺度量子物理基本问题检验等前沿研究，奠定了坚实的科学与技术基础。

今年6月份，发表于Science的一篇文章指出：“中国2017年报道的一项成果是最引人瞩目的：一颗名为‘墨子’的量子卫星将纠缠对发送到相距1200公里的两个地面站。这一成就给美国政府敲响了警钟，最终导致2018年美国《国家量子行动法案》的通过，该法案经时任总统唐纳德·特朗普签署而成为法律文件，其旨在刺激美国的量子技术。”

“墨子”号发射 来源：中科院微小卫星创新研究院

“墨子号”是我国在过去二十年间大力发展量子信息技术的一个缩影。

在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上，习近平总书记多次提及量子信息技术，并指出：“要在事关发展全局和国家安全的基础核心领域，瞄准人工智能、量子信息、集成电路、先进制造、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等前沿领域，前瞻部署一批战略性、储备性技术研发项目，瞄准未来科技和产业发展的制高点。”

量子科技领域的国际竞争日益激烈，潘建伟强调：“量子信息技术不仅是我国的战略技术，也已经成为欧美主要发达国家的重要战略布局。”

如美国在2018年启动了为期十年的“国家量子行动计划”，2021年通过的“无尽前沿法案”则计划为人工智能、量子信息等研究提供1000亿美元的资金；英国在2015年启动国家量子技术专项；欧盟在2018年实施量子技术旗舰项目；德国于6.5亿欧元实施《量子技术：从基础到市场》框架计划；法国在2021年宣布启动量子技术国家行动计划……

量子力学推动了信息技术发展

在人类历史上，产业革命总是和科学革命紧密相连，而以信息技术为代表的产业革命主要是建立在量子力学和相对论的基础上。

“正如晶体管是计算机的基础，激光技术是现代互联网的重要支撑，导航技术的发展离不开原子钟等精密测量技术的支撑……量子力学的建立直接催生了现代信息技术的发展。”潘建伟认为，“经过百余年的发展历程，量子力学已经为解决我们目前遇到的一些问题做好了技术上的储备。”

目前，学界对量子领域的研究已经从被动观测转为对量子状态进行主动操纵，处于第二次量子革命。

潘建伟解释：“这一变化类似于遗传学的发展。以往科学家主要通过统计学得到遗传定律等宏观规律，而随着基因工程等技术的出现，现在已经可以在知道特定基因序列的基础上，对相关性状进行预测。”

科学革命与产业革命的发展历程 来源：潘建伟院士现场报告

在信息技术领域，目前面临着信息安全和计算能力不足等问题，量子信息技术将如何推动信息科技的进一步发展？

潘建伟介绍，基于量子调控技术，量子信息科学主要能够提供两种应用方式：利用量子通信提供原理上无条件安全的信息传输方式；利用量子计算提供超快的计算能力，揭示复杂系统规律。

“量子是构成物质最基本的单元，也是能量最基本的携带者，基本特性是不可分割。”基于此特性的量子密钥分发可确保通信的安全性，实现加密内容不可破译。

此外，量子计算的计算能力是随着粒子数目的增加呈指数增长。潘建伟举例进行了说明：“利用量子计算并行运算的能力，可用于大数分解、求解线性方程组等。如利用万亿次经典计算机分解300位的大数，需要15万年，而但是利用万亿次量子计算机，只需要1秒。”

因此，量子计算显现出强大的潜能，可用于经典的密码破译、气象预报、金融分析、药物设计、揭示物理量子化学、量子材料等等多种应用。

走在前列的量子信息技术

针对广域量子通信的发展路线，国际上有三种发展路线图：通过光纤实现城域量子通信网络；通过中继器实现城际量子网络；通过卫星中转实现远距离量子通信。

我国在实用化城域光纤量子通信网络方面已经取得了较多进展。如2007年，实现了光纤量子通信的安全距离首次突破100 km；2008年，建成首个全通型城域量子通信网络；2012年，建成46个节点的规模化量子通信网络，并将“基于量子通信的高安全通信保障系统”投入永久运行。

在基于可信中继的城际量子通信网络方面，我国已建立光纤总长超2000 km的京沪干线，于2017年9月正式开通，目前即将转入商业运营。

这些工作都在不同程度上验证了陆地上量子通讯的可行性，也展现了我国量子通信的光纤城域网已经趋于成熟。

而第三种发展路线图——利用量子卫星建立量子通信网络，可以在全球范围内覆盖各类海岛、远洋船舶、驻外机构等光纤难以或者无法到达的地方，保障我国在全球范围的信息传输安全。“墨子号”的发射填补了这一空白。

“墨子号”已顺利完成了三大科学实验任务。潘建伟介绍道：“我们实现了北京和乌鲁木齐之间遥远地点的量子分发，后又完成了双向量子纠缠分发和远距离量子隐形传态实验。在此基础上，又完成了‘墨子号’和京沪干线的对接，实现了洲际量子保密通信。此外，‘墨子号’还可对量子力学与引力的融合进行探索。”

“墨子号”三大科学实验任务 来源：潘建伟院士现场报告

在量子计算领域，学界定义了3个阶段性的目标：

第一阶段是能够操纵50到60个量子比特，使处理某些特殊的计算问题时比超级计算机算到更好了，即在某个单项超越传统计算机；

第二阶段是能够操纵数百个甚至数千个量子比特，构建某种专用的量子计算机和量子模拟机，能够揭示某些经典计算机无法解决的复杂物理系统的规律；

第三阶段是构建可编程的、通用的量子计算机。

潘建伟谈到：“在量子计算领域，我国的起步较早。”

在光量子计算方面，潘建伟团队在2017年便构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机，这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机。

2020年年底，我国成功构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，即“九章”1分钟完成的任务，超级计算机需要1亿年。其速度也等效地比谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

“近期我们对‘九章’”进行了升级，由76个提高到113个光子，相较去年的结果进一步提升了10个数量级。”潘建伟进行了补充。

“九章”光量子干涉实物图 来源：中国科学技术大学

此外，我国在超导量子计算方面有取得了一定的进展。

2019年初，中科院量子信息与量子科技创新研究院在一维链结构超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备，保真度达到70％，打破了以往10个超导量子比特纠缠的纪录。

而今年5月，成功研制了62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，计算能力比谷歌的量子计算原型机快3个数量级，并在此基础上实现了可编程的二维量子行走。目前，已进一步将“祖冲之号”提升到66个超导比特，比谷歌快5个数量级。

“祖冲之号” 来源：arXiv

潘建伟总结道：“目前，我国是美国之外唯一一个在光量子计算及超导量子计算两个系统都实现量子计算优越性的国家。”

向实现第二个目标迈进

“量子信息起源于对量子纠缠的研究，随后推动了信息技术的发展。随着我们能够实现远距离的量子分发，又发现这项技术可以推动对基础物理的研究。”潘建伟提出，“我们正在向量子计算的第二个目标努力，即用量子模拟机解决重要的科学问题。”

潘建伟希望通过十到十五年的努力，发展出能够支撑未来天地一体广域量子通讯的相关应用。量子计算方面，他希望在五年内可以实现操纵数百到数千量子比特，从而在量子模拟方面取得一定进展，并解决量子纠错的问题。

“我们期待，利用十年左右的时间，实现操纵数百万量子比特，为通用量子计算机的研究奠定基础。”潘建伟说。