潘建偉：量子科技關(guān)乎國(guó)家戰(zhàn)略 唯有不斷突破創(chuàng)新

▲ 2015年5月26日，潘建偉在中科大上海研究院的實(shí)驗(yàn)室里調(diào)試設(shè)備 張端攝/本刊

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

原題丨中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉：量子科技關(guān)乎國(guó)家戰(zhàn)略 唯有不斷突破創(chuàng)新

文丨《瞭望》新聞周刊記者徐海濤 周暢 陳諾

2016年8月，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空，標(biāo)志著我國(guó)走向全球量子通信研究的引領(lǐng)地位。2020年12月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家。2021年10月，113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”宣布誕生。

從“墨子號(hào)”到“九章二號(hào)”，中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉心中不變的是對(duì)量子世界的探索和對(duì)我國(guó)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(guó)家戰(zhàn)略，心懷“國(guó)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(guó)量子科技發(fā)展始終走在世界前列。

“中國(guó)人一樣可以做好科研”

《瞭望》：為何給世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星起名“墨子號(hào)”？

潘建偉：現(xiàn)在看發(fā)射錄像感覺(jué)很輕松，但其實(shí)在發(fā)射前30秒，我一直雙手合十，希望衛(wèi)星能成功進(jìn)入太空。給這顆衛(wèi)星取名“墨子號(hào)”，是因?yàn)槟邮侵袊?guó)歷史上的“科圣”，想告訴大家：中國(guó)人一樣可以做好科研。

墨子生活在2400年前，他主張兼愛(ài)、非攻，也就是平等博愛(ài)、反對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)。他在《墨經(jīng)》里提出“止，以久也，無(wú)久之不止”，說(shuō)的是一個(gè)物體之所以會(huì)停下來(lái)，主要因?yàn)槭艿搅Φ淖饔茫绻麤](méi)有阻力的話，一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)是永遠(yuǎn)不會(huì)停止的，這其實(shí)與牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律是相同的概念。此外，墨子在2000多年前就做過(guò)小孔成像實(shí)驗(yàn)。我們知道光只有沿著直線傳播才會(huì)有這種現(xiàn)象。

我們將世界上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星取名為“墨子號(hào)”，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(shí)也為彰顯我們的文化自信。

《瞭望》：“墨子號(hào)”起到了什么樣的作用？

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(lèi)海島、遠(yuǎn)洋船舶、駐外機(jī)構(gòu)等光纖難以或者無(wú)法到達(dá)的地方，保障我國(guó)在全球范圍的信息傳輸安全。“墨子號(hào)”的實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了這一可行性。

“墨子號(hào)”已順利完成三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，又完成了“墨子號(hào)”和“京滬干線”的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了洲際量子保密通信。此外，“墨子號(hào)”還對(duì)量子力學(xué)與引力的融合等物理學(xué)基本問(wèn)題檢驗(yàn)提供了新的平臺(tái)。

量子計(jì)算研究位于國(guó)際第一方陣

《瞭望》：成功構(gòu)建量子計(jì)算原型機(jī)“九章”的意義是什么？

潘建偉：根據(jù)當(dāng)時(shí)最優(yōu)的經(jīng)典算法估計(jì)，“九章”對(duì)高斯玻色取樣問(wèn)題的計(jì)算速度，比世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍，從而在全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。取名“九章”，則是為了紀(jì)念中國(guó)古代著名數(shù)學(xué)專(zhuān)著《九章算術(shù)》。

實(shí)現(xiàn)2020年這次突破，我們其實(shí)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(lái)，我們團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(hào)”。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(gè)增加到113個(gè)。第三，新增了可編程功能。

結(jié)果顯示，“九章二號(hào)”的算力實(shí)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(hào)”求解高斯玻色取樣問(wèn)題的處理速度，比全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快億億億倍，比76個(gè)光子的“九章”快100億倍。目前的“九章二號(hào)”還只是“單項(xiàng)冠軍”，只能求解高斯玻色取樣這一特定問(wèn)題，但對(duì)這一問(wèn)題的求解在圖論、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

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

潘建偉：除了光量子計(jì)算，我們?cè)诔瑢?dǎo)量子計(jì)算方向也有較好的布局。

今年5月，我們構(gòu)建了當(dāng)時(shí)超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目最多的62比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了可編程的二維量子行走。在“祖沖之號(hào)”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(wèn)題，研制成功“祖沖之二號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了66個(gè)數(shù)據(jù)比特、110個(gè)耦合比特、11路讀取的高密度集成。通過(guò)量子編程的方式，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子隨機(jī)線路取樣，演示了“祖沖之二號(hào)”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(kāi)的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“祖沖之二號(hào)”對(duì)量子隨機(jī)線路取樣問(wèn)題的處理速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快千萬(wàn)倍以上，比谷歌的同類(lèi)型原型機(jī)“懸鈴木”快約四萬(wàn)倍。

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

奮進(jìn)量子信息戰(zhàn)略技術(shù)

《瞭望》：量子信息技術(shù)發(fā)展會(huì)給我們帶來(lái)什么？

潘建偉：量子信息技術(shù)不僅是我國(guó)的戰(zhàn)略技術(shù)，也已經(jīng)成為歐美主要發(fā)達(dá)國(guó)家的重要戰(zhàn)略布局。正如晶體管是計(jì)算機(jī)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(kāi)原子鐘等精密測(cè)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(guò)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(wèn)題做好了技術(shù)上的儲(chǔ)備。

量子通信提供了原理上無(wú)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(jì)算的計(jì)算能力隨著量子比特?cái)?shù)目的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。量子計(jì)算并行運(yùn)算的能力，可用于大數(shù)分解、求解線性方程組等。如利用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)，需要15萬(wàn)年，但是利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，只需要1秒。因此，量子計(jì)算顯現(xiàn)出強(qiáng)大的潛能，可用于經(jīng)典的密碼破譯、氣象預(yù)報(bào)、金融分析、藥物設(shè)計(jì)、揭示新能源新材料機(jī)制等等多種應(yīng)用。

《瞭望》：你接下來(lái)的目標(biāo)是什么？

潘建偉：在量子計(jì)算領(lǐng)域，國(guó)際學(xué)術(shù)界定義了3個(gè)階段性的目標(biāo)，第一階段目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了。第二階段是完成量子糾錯(cuò)的原理實(shí)現(xiàn)，研制相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的專(zhuān)用量子模擬機(jī)，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問(wèn)題，指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)、藥物開(kāi)發(fā)等。達(dá)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(guò)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(dòng)量子通信在金融、政務(wù)、能源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，利用廣域量子通信發(fā)展出來(lái)的高精度光量子傳輸技術(shù)和空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建高精度的時(shí)間頻率傳輸網(wǎng)絡(luò)，對(duì)下一代“秒”定義作出重要貢獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，我們希望能夠開(kāi)展對(duì)引力波探測(cè)、暗物質(zhì)搜索等物理學(xué)基本問(wèn)題的研究。

刊于《瞭望》2021年第51期

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