圖為“九章”量子計算機光量子干涉實物圖。 　　新華社發

2022年9月4日，在北京，一家參展企業代表在2022年國家網絡安全宣傳周網絡安全博覽會上介紹量子加密對講。 　　新華社記者 劉軍喜攝

2022年11月4日，參觀者在北京舉行的“奮進新時代”主題成就展上觀看可編程量子計算系統“祖沖之號”模型。 　　陳曉根攝（人民視覺）

圖為介紹量子計算機用途的科普圖。 　　資料圖片

　　近日，一則關於量子科技的新聞引起了社會關注。繼2017年起先后完成10比特、12比特、18比特的真糾纏態制備之后，在量子科技領域一直走在世界前沿的中國科學家最近又刷新一項世界紀錄——成功實現51個超導量子比特簇態制備和驗証，刷新所有量子系統中真糾纏比特數目的世界紀錄，並首次演示了基於測量的變分量子算法。

　　從“墨子號”飛向太空到量子計算機研制成功，時至今日，中國的量子科技已經實現了從跟跑、並跑到部分領跑的歷史飛躍，量子通信研究穩居國際引領地位，量子計算研究牢固確立國際第一方陣地位，量子精密測量研究多個方向進入國際領先行列。這也意味著，在“天地一體化”、大數據等“深藍”技術領域，中國的發展正在加速。

　　這一切，離不開中國科學技術大學（中國科大）中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉院士的研究團隊。

　　潘建偉院士主要從事量子光學、量子信息和量子力學基礎問題檢驗等方面的研究。作為國際上量子信息實驗研究領域的開拓者之一，他是該領域有重要國際影響力的科學家。利用量子光學手段，他在量子調控領域取得了一系列有重要意義的研究成果，尤其是他關於量子通信和多光子糾纏操縱的系統性創新工作使得量子信息實驗研究成為近年來物理學發展最迅速的方向之一。

　　量子飛躍，未來可期，用量子研究助力中華民族的偉大復興，是潘建偉院士團隊的夢想。正是對這個夢想的不懈追逐，讓潘建偉和他的團隊成為世界量子通信領域的領跑者。

　　量子之夢源於報國

　　2018年12月18日，在慶祝改革開放40周年大會上，潘建偉被授予“改革先鋒”稱號。在與大學生交流時，潘建偉談起了自己的少年時代。

　　1987年，17歲的潘建偉考入中國科大近代物理系。在這裡，潘建偉了解到許多科技前輩的感人故事。潘建偉對大學生們說：“很多外國人不明白，中國當時條件那麼差，為什麼能夠完成‘兩彈一星’的壯舉？正是由於大批具有家國情懷的科學家，為了國家的科技事業奉獻了自己的一切。”

　　在中國科大，潘建偉被量子理論的神秘深深吸引。隨著研究的深入，潘建偉感覺到，量子力學中的各種奇妙的現象，需要更尖端的實驗技術才能得以驗証。因此，年輕的潘建偉決定出國深造，進入奧地利因斯布魯克大學攻讀博士學位。這次留學，潘建偉不僅為了自己的夢想，更是為了心中那個更大的中國夢。

　　2001年，潘建偉回到中國科大，在主管部門的經費支持下，開始籌建實驗室，組建研究團隊。2004年，潘建偉研究組在國際上首次實現五光子糾纏和終端開放的量子隱形傳態。《自然》雜志發表了這一成果，並稱贊他們“完成了一次壯舉”。該成果同時入選英國物理學會和美國物理學會評選出的年度國際物理學重大進展，這是中國科學家的“第一次”。

　　潘建偉說，讓他感到驕傲的是，這表明國內研究組在光量子信息方面的工作已經躍居國際領先水平。

　　2003年，潘建偉提出衛星量子通信這一在國際上沒有先例的設想。中國科學院支持潘建偉團隊先期開展地面驗証試驗。經過數年的努力，當各項關鍵技術的積累已比較充分時，中國科學院又迅速決策，於2011年在國際上率先啟動了量子科學實驗衛星戰略性先導科技專項。

　　為了推進量子科學實驗衛星的研制，中國科學院統籌協調了上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文台、紫金山天文台、國家空間科學中心等院內相關優勢研究力量，與中國科大一起協同攻關。潘建偉認為，中國目前科研環境最大的優勢就是可以集中力量辦大事。正是由於中國科學院的果斷決策和快速部署，使得中國在量子太空競賽中佔據先機。

　　量子通信走在前列

　　2016年8月，由潘建偉團隊研制的“墨子號”量子科學實驗衛星在酒泉衛星發射中心發射升空。這是由中國完全自主研制、世界上第一顆空間量子科學實驗衛星，為中國引領世界量子通信技術發展奠定了堅實的科學與技術基礎。

　　據量子科學實驗衛星工程常務副總師王建宇介紹，“墨子號”在軌測試階段全面完成了衛星平台測試、有效載荷自測試和天地一體化鏈路測試，成功構建了星地單向、星地雙向、地星單向量子信道，可以滿足空間量子科學實驗的要求。“墨子號”在世界上首次建立了天地一體化量子通信實驗測試平台，具備了開展空間量子科學實驗的條件。

　　“墨子號”的主要應用目標是通過衛星和地面站之間的量子密鑰分發，實現星地量子保密通信，並通過衛星中轉實現可覆蓋全球的量子保密通信。它可以在外太空以10kbps（千字節/秒）的速率給地面站分發量子密鑰，比地面同距離光纖量子通信水平提高了20個數量級以上。這項技術突破使得中國在國際上率先具備了星地量子通信能力。

　　“墨子號”的另一前沿研究目標是在量子物理基本問題檢驗領域：即通過千公裡量級的量子糾纏分發，首次在空間尺度檢驗量子力學的非定域性，並利用量子糾纏在地面和衛星之間實現量子隱形傳態。此舉將使得人類首次具有在空間尺度開展量子科學實驗的能力，並為未來在外太空開展廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的檢驗做好了堅實的技術准備。

　　“墨子號”是中國在過去20年間大力發展量子信息技術的一個縮影。“因為中國在這個領域起步較早，也得到國家重視，所以一直保持一定優勢。”潘建偉介紹，針對廣域量子通信的發展，國際上有3種技術路線：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通信﹔通過衛星中轉實現遠距離量子通信。

　　中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公裡﹔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，中國已建立光纖總長超2000公裡的京滬干線，覆蓋四省三市共32個節點，是世界上最遠距離的基於可信中繼方案的量子安全密鑰分發干線，於2017年8月底完成驗收。目前，量子京滬干線已接入包括金融、電力、政務等上百多家行業用戶，並通過多種安全性測試。

　　而第三種發展路線——在全球范圍內覆蓋各類海島、遠洋船舶、駐外機構等光纖難以或者無法到達的地方，“墨子號”的發射填補了這一空白。

　　潘建偉說，目前“墨子號”已順利完成了三大科學實驗任務。“墨子號”實現了北京和烏魯木齊之間遙遠地點的量子分發，后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，完成了“墨子號”和京滬干線的對接，實現了洲際量子保密通信﹔並對量子力學與引力的融合進行探索。

　　量子計算實現“優越”

　　作為一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，量子計算被認為可能是下一代信息革命的關鍵技術。而作為其中“門檻”的“量子優越性”，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就証明其未來有多方超越的可能。

　　在量子計算領域，由於其本身對環境的干擾非常敏感，潘建偉指出，真要造出一台通用的量子計算機大概還需要15年甚至更長的時間，因為會涉及幾百萬量子比特的相關操縱。因此，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，使處理某些特殊計算問題時超越傳統計算機﹔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，揭示某些經典計算機無法解決的復雜物理系統的規律﹔第三階段是構建可編程的、通用的量子計算機。

　　中國在這些方面已取得了比較好的進展。

　　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，這是歷史上第一台超越早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機。

　　2020年底，中國成功構建了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，根據最新的經典算法，比當時最快的超級計算機快10萬倍。

　　潘建偉團隊成員、中國科大教授陸朝陽說，在費曼提出量子計算的概念近40年后，“九章”在實驗上嚴格地証明了量子計算的加速能力，把夢想變成了現實。和原子、離子、超導電路等類型的量子計算機相比，光量子計算可在室溫下、空氣中運行，能克服量子噪聲極限，結構亦相對比較簡單。“九章”使得中國第一次進入國際量子計算第一方陣。

　　“九章”長啥樣？在安徽合肥微尺度物質科學國家研究中心，兩個通過光纖連接起來的長3米寬1.5米的不起眼“盒子”和“盒子”裡密布的光學元器件，就是“九章”。“一個用來產生光源，另一個進行干涉，把光信號變成電信號后引到隔壁的探測器進行分析。”陸朝陽的學生、“九章”論文第一作者、95后博士生鐘翰森介紹。

　　此后，潘建偉團隊進行了一系列概念和技術創新。2021年，潘建偉、陸朝陽等專家與中國科學院上海微系統與信息技術研究所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，成功構建113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，求解高斯玻色取樣數學問題比目前全球最快的超級計算機快100億倍。

　　“我們主要有三大突破，首先，顯著提高了量子光源的產率、品質和收集效率，將光源關鍵指標從63%提升到92%。其次，將多光子量子干涉線路從100維度增加到144維度，操縱的光子數從76個增加到113個。第三，新增了可編程功能。”陸朝陽說。

　　結果顯示，“九章二號”的算力實現巨大提升。根據已發表的最優經典算法，“九章二號”求解高斯玻色取樣問題的處理速度，比“九章”快10萬倍。“九章二號”1毫秒可算出的問題，全球“最快超算”需要上百天。

　　中國在超導量子計算方面也取得較好進展。

　　2019年初，中國科學院量子信息與量子科技創新研究院實現了12個量子比特糾纏“簇態”的制備，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2021年5月，中國已成功研制出62個比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”。目前，已進一步提升到66個超導比特，比目前全球最快的超級計算機快1000萬倍以上。

　　潘建偉說，中國是目前唯一一個在兩種物理系統都實現“量子計算優越性”的國家。

　　“目前，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。如研究高溫超導的相關機制，推動量子材料本身的發展，預計會在3至5年有較好進展。”

　　同時，潘建偉希望通過10到15年的努力，發展出能夠支撐未來天地一體廣域量子通信的相關應用﹔利用10年左右的時間，實現操縱數百萬量子比特，為通用量子計算機的研究奠定基礎。

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