中國科學(xué)院院士潘建偉：量子科技關(guān)乎國家戰(zhàn)略 唯有不斷突破創(chuàng)新｜新華社

“九章”和“祖沖之二號”的成果，使得我國成為目前唯一在兩種物理體系都實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”的國家，牢固確立了量子計算研究國際第一方陣的地位。

◇“九章”和“祖沖之二號”的成果，使得我國成為目前唯一在兩種物理體系都實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”的國家，牢固確立了量子計算研究國際第一方陣的地位

2016年8月，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星發(fā)射升空，標(biāo)志著我國走向全球量子通信研究的引領(lǐng)地位。2020年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”的國家。2021年10月，113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”宣布誕生。

從“墨子號”到“九章二號”，中國科學(xué)院院士潘建偉心中不變的是對量子世界的探索和對我國量子科技發(fā)展的追求。

潘建偉告訴《瞭望》新聞周刊，量子科技關(guān)乎國家戰(zhàn)略，心懷“國之大者”，唯有不斷突破創(chuàng)新，要努力探索更加靈活高效、資源整合的協(xié)同創(chuàng)新之路，使我國量子科技發(fā)展始終走在世界前列。

潘建偉：現(xiàn)在看發(fā)射錄像感覺很輕松，但其實在發(fā)射前30秒，我一直雙手合十，希望衛(wèi)星能成功進入太空。給這顆衛(wèi)星取名“墨子號”，是因為墨子是中國歷史上的“科圣”，想告訴大家：中國人一樣可以做好科研。

墨子生活在2400年前，他主張兼愛、非攻，也就是平等博愛、反對戰(zhàn)爭。他在《墨經(jīng)》里提出“止，以久也，無久之不止”，說的是一個物體之所以會停下來，主要因為受到力的作用，如果沒有阻力的話，一個物體的運動是永遠不會停止的，這其實與牛頓第一運動定律是相同的概念。此外，墨子在2000多年前就做過小孔成像實驗。我們知道光只有沿著直線傳播才會有這種現(xiàn)象。

我們將世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星取名為“墨子號”，一方面是為了紀(jì)念墨子在光學(xué)研究方面取得的成就，同時也為彰顯我們的文化自信。

潘建偉：利用量子衛(wèi)星建立量子通信網(wǎng)絡(luò)，可以在全球范圍內(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，保障我國在全球范圍的信息傳輸安全。“墨子號”的實驗充分驗證了這一可行性。

“墨子號”已順利完成三大科學(xué)實驗任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，又完成了“墨子號”和“京滬干線”的對接，實現(xiàn)了洲際量子保密通信。此外，“墨子號”還對量子力學(xué)與引力的融合等物理學(xué)基本問題檢驗提供了新的平臺。

潘建偉：根據(jù)當(dāng)時最優(yōu)的經(jīng)典算法估計，“九章”對高斯玻色取樣問題的計算速度，比世界最快的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，從而在全球第二個實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”。取名“九章”，則是為了紀(jì)念中國古代著名數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。

實現(xiàn)2020年這次突破，我們其實歷經(jīng)了20年的努力?！熬耪隆钡耐黄?，主要攻克了三大技術(shù)難關(guān)：高品質(zhì)量子光源、高精度鎖相技術(shù)、規(guī)?；缮婕夹g(shù)。

今年以來，我們團隊進行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新，近期成功研制出“九章二號”。我們主要有三大突破，首先顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率，將光源關(guān)鍵指標(biāo)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(shù)從76個增加到113個。第三，新增了可編程功能。

結(jié)果顯示，“九章二號”的算力實現(xiàn)巨大提升。根據(jù)目前已發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法，“九章二號”求解高斯玻色取樣問題的處理速度，比全球最快的超級計算機快億億億倍，比76個光子的“九章”快100億倍。目前的“九章二號”還只是“單項冠軍”，只能求解高斯玻色取樣這一特定問題，但對這一問題的求解在圖論、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

《瞭望》：量子計算包括多條技術(shù)路線，我國在超導(dǎo)量子計算上的布局是怎樣的？

潘建偉：除了光量子計算，我們在超導(dǎo)量子計算方向也有較好的布局。

今年5月，我們構(gòu)建了當(dāng)時超導(dǎo)量子比特數(shù)目最多的62比特超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”，實現(xiàn)了可編程的二維量子行走。在“祖沖之號”的基礎(chǔ)上，我們采用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規(guī)模比特集成的問題，研制成功“祖沖之二號”，實現(xiàn)了66個數(shù)據(jù)比特、110個耦合比特、11路讀取的高密度集成。通過量子編程的方式，我們實現(xiàn)了對量子隨機線路取樣，演示了“祖沖之二號”可用于執(zhí)行任意量子算法的編程能力。根據(jù)目前已公開的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“祖沖之二號”對量子隨機線路取樣問題的處理速度比目前最快的超級計算機快千萬倍以上，比谷歌的同類型原型機“懸鈴木”快約四萬倍。

“九章”和“祖沖之二號”的成果，使得我國成為目前唯一在兩種物理體系都實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”的國家，牢固確立了量子計算研究國際第一方陣的地位。

潘建偉：量子信息技術(shù)不僅是我國的戰(zhàn)略技術(shù)，也已經(jīng)成為歐美主要發(fā)達國家的重要戰(zhàn)略布局。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(dǎo)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(xué)的建立直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過百余年的發(fā)展歷程，量子力學(xué)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。

量子通信提供了原理上無條件安全的通信方式，可以大幅提升現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。

量子計算的計算能力隨著量子比特數(shù)目的增加呈指數(shù)增長。量子計算并行運算的能力，可用于大數(shù)分解、求解線性方程組等。如利用萬億次經(jīng)典計算機分解300位的大數(shù)，需要15萬年，但是利用萬億次量子計算機，只需要1秒。因此，量子計算顯現(xiàn)出強大的潛能，可用于經(jīng)典的密碼破譯、氣象預(yù)報、金融分析、藥物設(shè)計、揭示新能源新材料機制等等多種應(yīng)用。

《瞭望》：你接下來的目標(biāo)是什么？

潘建偉：在量子計算領(lǐng)域，國際學(xué)術(shù)界定義了3個階段性的目標(biāo)，第一階段目標(biāo)已經(jīng)達到了。第二階段是完成量子糾錯的原理實現(xiàn)，研制相干操縱數(shù)百個量子比特的專用量子模擬機，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機器學(xué)習(xí)等特定問題，指導(dǎo)材料設(shè)計、藥物開發(fā)等。達到該階段需要5至10年，是當(dāng)前的主要研究任務(wù)。

在量子通信領(lǐng)域，我們希望通過10到15年的努力，發(fā)展出完整的天地一體廣域量子通信的相關(guān)技術(shù)，并推動量子通信在金融、政務(wù)、能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時，利用廣域量子通信發(fā)展出來的高精度光量子傳輸技術(shù)和空間量子科學(xué)實驗平臺，構(gòu)建高精度的時間頻率傳輸網(wǎng)絡(luò)，對下一代“秒”定義作出重要貢獻。在此基礎(chǔ)上，我們希望能夠開展對引力波探測、暗物質(zhì)搜索等物理學(xué)基本問題的研究。