人民政協(xié)報記者 王碩

盤點近年來的科技熱詞，“量子”肯定能列入其中。但談?wù)摰娜硕啵斫獾娜藚s依舊寥寥。

量子力學不僅徹底改變了人類對世界的認知，也將使我們的生活發(fā)生翻天覆地的變化。但量子究竟是什么？科技領(lǐng)域有何研究進展？將為我們帶來什么？在近日第二十三屆中國科協(xié)年會上，全國政協(xié)委員，中國科協(xié)副主席、中國科學院院士潘建偉以“新量子革命”為題，為我們解答了諸多疑問——

量子力學重塑信息技術(shù)發(fā)展

在人類歷史上，產(chǎn)業(yè)革命總是和科學革命緊密相連，而以信息技術(shù)為代表的產(chǎn)業(yè)革命主要是建立在量子力學和相對論的基礎(chǔ)上。

所謂“量子”不是某種系統(tǒng)或某種物質(zhì)，而是對我們構(gòu)成物質(zhì)最基本單元的統(tǒng)稱，是能量最基本的攜帶者，它的基本特性就是不可分割性。

事實上，量子是我們的老朋友。量子力學為信息革命提供了硬件基礎(chǔ)，激光、半導體晶體管、芯片的原理等都源于量子力學。

“正如晶體管是計算機的基礎(chǔ)，激光技術(shù)是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐，導航技術(shù)的發(fā)展離不開原子鐘等精密測量技術(shù)的支撐……量子力學的建立直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展?！迸私▊フJ為，“經(jīng)過百余年的發(fā)展歷程，量子力學已經(jīng)為解決我們目前遇到的一些問題做好了技術(shù)上的儲備?！?/p>

為何提出“新量子革命”？是因為隨著技術(shù)的發(fā)展，量子科學技術(shù)出現(xiàn)了新的方向和新的生命力。學界對量子領(lǐng)域的研究已經(jīng)從被動觀測轉(zhuǎn)為對量子狀態(tài)進行主動操縱，被稱為“第二次量子革命”。

具體到信息技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域。一方面，信息安全是信息技術(shù)進一步發(fā)展的重要瓶頸，目前的網(wǎng)絡(luò)信息安全每天都面臨著嚴重的威脅。大概在100多年之前，大家就開始討論，以人類的才智，到底能否構(gòu)造出一種人類自身不可破解的密碼？

另一方面，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)時代的到來，計算能力的需求進一步增加，需要找到一種新的途徑。

在這樣的背景下，利用量子的基本性質(zhì)，推動信息科技的進一步發(fā)展就成為科學家們孜孜不倦的追求。

據(jù)潘建偉介紹，目前量子信息科學主要能夠提供兩種應(yīng)用方式：一是無條件安全的信息傳輸方式；二是提供超快的計算能力，揭示復雜系統(tǒng)規(guī)律。

具體來說，由于量子不可分割原理，如果信息被別人拿走，最后的接收者將收不到密鑰，也就不能拿密鑰進行信息傳遞，這樣可以保證加密內(nèi)容不可破譯；再加上量子力學認為，不可能把一個粒子的狀態(tài)信息精確“拷貝”一份而不改變它本身，即量子態(tài)是不可復制的，保證了量子分發(fā)本身的安全性。

在計算方面，量子論和經(jīng)典物理的最大不同，就是它認為事物狀態(tài)并不是唯一確定的，而可以是各種可能性的“疊加”。如傳統(tǒng)計算機處理信息的最小單位比特，要么是0要么是1；但在量子論看來，一個比特處于0和1的疊加態(tài)，被稱為“量子比特”，利用這種性質(zhì)處理數(shù)據(jù)時可以并行運算。換句話說，傳統(tǒng)計算機一次只能處理一個信息，而量子計算機一次可以處理N個信息的疊加，計算效率大大提高。因此，量子計算具有強大潛能，可用于經(jīng)典的密碼破譯、氣象預報、金融分析、藥物設(shè)計等。

走在前列的量子通信技術(shù)

2016年8月，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。這是世界上第一顆量子衛(wèi)星，為我國引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的科學與技術(shù)基礎(chǔ)。

“墨子號”是我國在過去20年間大力發(fā)展量子信息技術(shù)的一個縮影?！傲孔有畔⒓夹g(shù)已經(jīng)成為歐美主要發(fā)達國家的一個重要戰(zhàn)略布局。但因為我國在這個領(lǐng)域起步較早，也得到國家重視，所以一直保持一定優(yōu)勢?！?/p>

據(jù)潘建偉介紹，針對廣域量子通信的發(fā)展路線，國際上有3種發(fā)展路線：通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；通過中繼器實現(xiàn)城際量子通信；通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實現(xiàn)遠距離量子通信。

我國在實用化城域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)方面已經(jīng)取得了較多進展。如2007年，實現(xiàn)了光纖量子通信的安全距離首次突破100公里；2008年，建成首個全通型城域量子通信網(wǎng)絡(luò)；2012年，建成46個節(jié)點的規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，并將“基于量子通信的高安全通信保障系統(tǒng)”投入永久運行。

在基于可信中繼的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)方面，我國已建立光纖總長超2000公里的京滬干線，目前即將轉(zhuǎn)入商業(yè)運營。

而第三種發(fā)展路線——在全球范圍內(nèi)覆蓋各類海島、遠洋船舶、駐外機構(gòu)等光纖難以或者無法到達的地方，“墨子號”的發(fā)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(wù)?！拔覀儗崿F(xiàn)了北京和烏魯木齊之間遙遠地點的量子分發(fā)，后又完成了雙向量子糾纏分發(fā)和遠距離量子隱形傳態(tài)實驗。在此基礎(chǔ)上，完成了‘墨子號’和京滬干線的對接，實現(xiàn)了洲際量子保密通信；并對量子力學與引力的融合進行探索。”

實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”

在量子計算領(lǐng)域，由于其本身對環(huán)境的干擾非常敏感，潘建偉指出，真要造出一臺通用的量子計算機大概還需要20年甚至更長的時間，因為會涉及幾百萬量子比特的相關(guān)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(tǒng)計算機；第二階段是能夠操縱數(shù)百個甚至數(shù)千個量子比特，構(gòu)建某種專用的量子計算機和量子模擬機，揭示某些經(jīng)典計算機無法解決的復雜物理系統(tǒng)的規(guī)律；第三階段是構(gòu)建可編程的、通用的量子計算機。

我國在這些方面已取得了比較好的進展。

據(jù)介紹，潘建偉團隊在2017年便構(gòu)建了針對多光子“玻色取樣”任務(wù)的光量子計算原型機，這是歷史上第一臺超越早期經(jīng)典計算機的基于單光子的量子模擬機。

2020年年底，我國成功構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解，比當時最快的超級計算機快100萬億倍。而且最近又進一步升級，提高到113個光子，比2020年的結(jié)果提升了10個數(shù)量級。

此外，我國在超導量子計算方面也取得較好進展。

2019年初，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院實現(xiàn)了12個量子比特糾纏“簇態(tài)”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。

2019年底，谷歌公司構(gòu)建了53個比特的超導量子計算系統(tǒng)。

而今年5月，我國已成功研制出62個比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，計算能力比谷歌的快3個數(shù)量級。目前，已進一步提升到66個超導比特，比谷歌的快5個數(shù)量級。

潘建偉說，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(tǒng)都實現(xiàn)“量子計算優(yōu)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(guān)機制，推動量子材料本身的發(fā)展，預計會在3至5年有較好進展?！?/p>

同時，潘建偉希望通過10到15年的努力，發(fā)展出能夠支撐未來天地一體廣域量子通信的相關(guān)應(yīng)用；利用10年左右的時間，實現(xiàn)操縱數(shù)百萬量子比特，為通用量子計算機的研究奠定基礎(chǔ)。