“參觀完展覽，我很震撼，量子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)如此廣泛了，很多成果得到了轉(zhuǎn)化。這讓我們從事量子前沿研究的科研人員有了更大信心。”在近日于合肥召開的2024量子科技和產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)科大）教授潘建偉如是說(shuō)。
開幕式上，潘建偉作了題為《量子信息科技發(fā)展的現(xiàn)狀與展望》的主題報(bào)告。他表示：“我國(guó)在量子通信領(lǐng)域占據(jù)國(guó)際引領(lǐng)地位，在量子計(jì)算領(lǐng)域處于國(guó)際第一方陣，在量子精密測(cè)量領(lǐng)域部分方向處于國(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平?！?/p>
與此同時(shí)，他特別希望與科研院所、高校、企業(yè)的優(yōu)勢(shì)力量一起，推進(jìn)量子信息科技關(guān)鍵材料器件設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)，提升自主創(chuàng)新體系化能力。
應(yīng)運(yùn)而生的量子信息科學(xué)
從倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、普朗克提出量子論、愛(ài)因斯坦提出光量子概念，到現(xiàn)代量子理論的誕生……量子力學(xué)至今發(fā)展已逾百年。
“從某種意義上講，無(wú)論是能源科學(xué)、信息科學(xué)，還是生命科學(xué)、材料科學(xué)，很大程度上都得益于量子力學(xué)的建立?！迸私▊ケ硎荆孔涌萍几锩苯哟呱爽F(xiàn)代信息技術(shù)的誕生。比如，沒(méi)有量子力學(xué)，就不會(huì)有半導(dǎo)體，也不會(huì)有現(xiàn)代的通用計(jì)算機(jī)；沒(méi)有激光，就不會(huì)有光通信與互聯(lián)網(wǎng)；沒(méi)有原子鐘，就不會(huì)有衛(wèi)星定位系統(tǒng)。
然而，信息科技的進(jìn)一步發(fā)展面臨兩大問(wèn)題。一是信息安全傳輸問(wèn)題。歷史經(jīng)驗(yàn)告訴人們，依賴計(jì)算復(fù)雜度的經(jīng)典加密算法，原理上都能被破解。正如著名作家愛(ài)倫·坡在100多年前所寫的那樣，“以人類的才智無(wú)法構(gòu)造人類自身不可破解的密碼”。潘建偉說(shuō)：“這說(shuō)明人類不夠聰明，無(wú)法構(gòu)造出不能被破解的密碼，或者說(shuō)人類太聰明，可以破譯所有密碼?！?/p>
另一個(gè)問(wèn)題是隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，人類對(duì)計(jì)算能力的需求巨大，但是現(xiàn)有的計(jì)算能力卻相當(dāng)有限。
“非常有意思的是，量子力學(xué)在百余年的發(fā)展過(guò)程中，已經(jīng)為解決這些重大問(wèn)題做好了準(zhǔn)備。”潘建偉介紹，科學(xué)家在對(duì)量子疊加、量子糾纏這類現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的過(guò)程中，逐漸發(fā)展出對(duì)量子狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)精確操縱的能力，從而催生出量子信息科學(xué)。量子信息科學(xué)主要包括3個(gè)方向——量子通信、量子計(jì)算與模擬以及量子精密測(cè)量。
潘建偉表示：“量子信息技術(shù)的目標(biāo)就是為構(gòu)筑‘量子互聯(lián)網(wǎng)’奠定技術(shù)基礎(chǔ)，利用量子感知獲取整個(gè)物理世界的各種信息，用量子通信進(jìn)行信息的安全傳輸，用量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)信息的高速處理，形成自主可控的未來(lái)信息技術(shù)體系。”
我國(guó)量子信息科技發(fā)展現(xiàn)狀
在量子通信方面，截至2023年，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子保密通信最遠(yuǎn)安全距離突破1000公里；利用可信中繼手段，我國(guó)先后建立了遠(yuǎn)距離光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”、國(guó)家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)。2016年8月，世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”成功發(fā)射，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地量子通信?！澳犹?hào)”結(jié)合“京滬干線”，構(gòu)建了全球首個(gè)天地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形。
在量子計(jì)算方面，國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)有3個(gè)里程碑階段，一是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，即量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)；二是實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的實(shí)用問(wèn)題，同時(shí)突破量子糾錯(cuò)技術(shù)；三是將量子比特的操縱精度提高到超越容錯(cuò)閾值的基礎(chǔ)上，相干操縱至少數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，實(shí)現(xiàn)可編程的容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)。
2020年，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，這是國(guó)際上首個(gè)被嚴(yán)格證明具有“量子計(jì)算優(yōu)越性”的工作。2021年，113個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”誕生，處理速度比超級(jí)計(jì)算機(jī)快100億倍。2023年，255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”面世，處理速度比超級(jí)計(jì)算機(jī)快億億倍。
“正在測(cè)試中的‘九章四號(hào)’已超過(guò)2000個(gè)光子，計(jì)算能力將更強(qiáng)。”潘建偉透露。
此外，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)先后構(gòu)建了62個(gè)比特的“祖沖之號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)、66個(gè)比特的“祖沖之二號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，使我國(guó)成為目前唯一在兩種物理體系上都實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家。
12月17日，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的“祖沖之三號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算處理器公布在arxiv上?！白鏇_之三號(hào)”處理隨機(jī)線性采樣的速度可超過(guò)目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”1000萬(wàn)億倍，超過(guò)谷歌今年10月發(fā)表于《自然》的最新進(jìn)展——72比特“懸鈴木”處理器6個(gè)數(shù)量級(jí)，為目前公開發(fā)表的超導(dǎo)量子計(jì)算最強(qiáng)優(yōu)越性。
在量子糾錯(cuò)方面，最近，谷歌利用105比特超導(dǎo)量子處理器“垂柳”，初步驗(yàn)證了表面碼方案的可擴(kuò)展性。據(jù)了解，“祖沖之三號(hào)”處理器各項(xiàng)性能指標(biāo)與谷歌“垂柳”處理器相當(dāng)，潘建偉團(tuán)隊(duì)正基于“祖沖之三號(hào)”開展相關(guān)工作，將實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的表面碼糾錯(cuò)。
“當(dāng)前的主要研究任務(wù)是研制專用量子計(jì)算模擬機(jī)，用于解決量子化學(xué)、高溫超導(dǎo)機(jī)理等重要科學(xué)問(wèn)題?！迸私▊フf(shuō)，他們已經(jīng)在這一方向取得了重要進(jìn)展，如2024年成功構(gòu)建了求解費(fèi)米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器“天元”，首次展現(xiàn)了量子模擬在解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的重要科學(xué)問(wèn)題上的巨大優(yōu)勢(shì)。
“要真正實(shí)現(xiàn)通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，至少還需10余年甚至20年時(shí)間?！迸私▊フf(shuō)，要實(shí)現(xiàn)通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)需要相干操縱至少上百萬(wàn)量子比特，目前量子計(jì)算的研究重點(diǎn)之一就是突破量子糾錯(cuò)技術(shù)，為量子比特的大規(guī)模集成和操縱鋪平道路。
在量子精密測(cè)量方面，如在時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)上，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)扮演了重要角色，研制出70億年誤差不超過(guò)一秒的光鐘，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)達(dá)到該綜合指標(biāo)的國(guó)家。
力爭(zhēng)在國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)中搶得先機(jī)
展望未來(lái)，潘建偉認(rèn)為，在量子通信方面，量子中繼連接的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)10年左右的發(fā)展可走向?qū)嶋H應(yīng)用；基于衛(wèi)星平臺(tái)的遠(yuǎn)距離量子通信，將通過(guò)多顆微納量子衛(wèi)星構(gòu)成的“量子星座”以及具有更長(zhǎng)過(guò)境時(shí)間的中高軌道衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)高效率的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建完整的天地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。
廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)為精密測(cè)量提供了全新平臺(tái)?！?027年前后，中高軌量子衛(wèi)星將具備發(fā)射條件，可以實(shí)現(xiàn)萬(wàn)公里級(jí)量子糾纏分發(fā)。這將帶來(lái)有意思的應(yīng)用，例如可以構(gòu)建一種非常精確的望遠(yuǎn)鏡——量子增強(qiáng)的光學(xué)合成孔徑望遠(yuǎn)鏡，大幅提升空間分辨能力?！迸私▊フf(shuō)。
潘建偉希望，通過(guò)10至15年的努力，研制出精度達(dá)到10-21的高精度光鐘，這相當(dāng)于10萬(wàn)億年誤差不超過(guò)1秒，它將為探測(cè)中低頻段的引力波、搜尋暗物質(zhì)等物理學(xué)基本原理的檢驗(yàn)提供一種全新手段。
在量子計(jì)算方面，谷歌、IBM以及英國(guó)和法國(guó)政府都提出在2035年前后實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)個(gè)量子比特相干操縱的目標(biāo)。“我國(guó)正在編制的國(guó)家量子科技相關(guān)規(guī)劃中，也提出了同樣的目標(biāo)?！迸私▊フf(shuō)，未來(lái)3至5年，將實(shí)現(xiàn)數(shù)百至上千個(gè)量子比特的相干操縱，解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題；在未來(lái)10至15年，將在量子糾錯(cuò)基礎(chǔ)上相干操縱上百萬(wàn)量子比特，研制具備基本功能的容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)，探索對(duì)密碼分析、大數(shù)據(jù)分析等的應(yīng)用。
“在量子信息科技領(lǐng)域，我國(guó)和美國(guó)等世界強(qiáng)國(guó)站在了同一起跑線上，它是國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)中我國(guó)最有條件、最有基礎(chǔ)、最有可能拔得頭籌和搶得先機(jī)的重要科技領(lǐng)域?！迸私▊ケ硎?，“在國(guó)家的戰(zhàn)略部署下，我們有信心、有決心、有能力保障我國(guó)在日趨激烈的量子信息科技國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中保持和擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，贏得戰(zhàn)略主動(dòng)。”
文章來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
