潘建偉院士：量子計算正從“玩具”變成“工具”

　　30多年前，在科學家們對量子疊加、量子糾纏等量子力學基本問題的研究過程中，精細的量子調控技術逐漸發(fā)展起來，使得人類從對量子規(guī)律的被動觀測跨越到對量子狀態(tài)的主動精確操縱，由此我們現在所說的“量子科技”便誕生了。

　　量子科技是融合量子調控和信息技術而產生的新興學科。在這一領域，我國已經取得了一系列重要科學問題和關鍵核心技術突破，并在部分方向實現國際領先。我國量子科技將如何深化發(fā)展，自主創(chuàng)新科技體系將如何構建，從基礎研究到實用化、工程化的轉化之路將如何實現引領性突破？科技日報記者對中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉進行了專訪，請他談談對量子科技發(fā)展的思考。

　　不會取代現有通信方式 量子通信將大幅提升信息安全水平

       科技日報記者：在“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星發(fā)射升空后，我國科學家已經利用它取得了一系列研究成果，并成功將量子通信發(fā)展到了實用階段，這是否意味著，一種顛覆傳統(tǒng)的通信方式即將誕生？

　　潘建偉：盡管量子通信是一個新興領域，但它并不是要取代現有的通信方式，恰恰相反，它將以一種新的途徑來大幅提高現有信息系統(tǒng)的安全性。

　　現代信息安全體系的核心要素是密鑰，只要確保密鑰安全，就可以保證加密信息的安全。在傳統(tǒng)保密通信中，至今還沒有能嚴格證明其安全性的方法。

　　但量子保密通信卻可以在已有公開信道中，通過量子密鑰分發(fā)實時產生密鑰并安全便捷地分配到用戶，使得在量子密鑰的傳輸過程中，如果信息被竊聽，竊聽者無法做到不留下痕跡。而且這一點是絕對的，是由量子力學基本原理所保證的。

　　換句話說，量子保密通信是在傳統(tǒng)通信中使用量子密鑰以提升安全性，而非一種完全顛覆傳統(tǒng)的通信方式。

　　科技日報記者：目前，我國已通過“墨子號”和“京滬干線”的實驗，構建了首個天地一體化的量子通信網絡雛形，我國量子通信也已經處于國際領先水平。那么，為持續(xù)保持引領地位，我國還需要在哪些方面著力？

　　潘建偉：量子通信的發(fā)展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系。首先通過光纖實現城域量子通信網絡，進而通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接，最終通過衛(wèi)星平臺中轉來實現遙遠區(qū)域之間的連接，這是廣域量子通信網絡的發(fā)展路線。

　　按照這一路線，量子通信未來的發(fā)展，一方面需要擴大量子通信網絡的有效覆蓋范圍，包括實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接、實現可支持千公里量級的量子中繼、發(fā)展下一代可全天時工作的量子衛(wèi)星網絡等；另一方面，需要在工程化集成與驗證的實踐中推動核心器件的自主研發(fā)、相關應用標準的制定和規(guī)模化的應用示范。

　　有3個里程碑發(fā)展階段 通用量子計算機誕生或還需20年

       科技日報記者：除量子通信外，量子計算也得到了極高的關注，國內外均有企業(yè)聲稱已進入到量子計算領域，但同時也有觀點認為量子計算還很遙遠。對此您怎么看？

　　潘建偉：量子計算研究是一個高度復雜的工作，對于學術界而言，還是要循序漸進，實現一個個階段性的目標。國際學術界公認的量子計算發(fā)展有幾個里程碑階段——第一個里程碑是實現量子計算優(yōu)越性，即量子計算機對特定問題的計算能力超越超級計算機，這需要相干操縱約50個量子比特。2019年谷歌實現的量子計算原型機“懸鈴木”就包含53個超導量子比特，在求解隨機線路采樣問題上超越了超級計算機，也就是成功實現了量子計算優(yōu)越性。但是，求解隨機線路采樣目前看來還沒有現實意義，現在的量子計算原型機更像是一個“玩具”，只能在玩某一個游戲方面擊敗經典計算機，它的重要意義在于，證明了量子計算機是可以超越經典計算機的。

　　第二個里程碑是實現專用量子模擬機，即相干操縱數百個量子比特，用于解決若干超級計算機無法勝任的實用問題，例如量子化學、新材料設計、優(yōu)化算法等。到這個時候，量子計算機才真正開始有用，變成一個“工具”。我們希望能夠在5年-10年內實現這樣的量子模擬機，這是當前的主要研究任務。

　　第三個里程碑是實現可編程的通用量子計算機，即相干操縱至少數百萬個量子比特，同時將量子比特的操縱精度提高到超越容錯閾值（>99.9%），能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。到了這一階段，量子計算機可能就和我們現在觀念中的計算機差不多了，可以用來快速解決很多問題。不過，由于技術上的巨大挑戰(zhàn)，何時實現通用量子計算機尚不明確，學術界一般認為還需要20年甚至更長的時間。

　　科技日報記者：前不久，您的團隊構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，據媒體報道，其可以在1分鐘內實現超級計算機1億年才能完成的任務。您認為，我國的量子計算正處于什么階段？

　　潘建偉：根據現有的最優(yōu)經典算法，“九章”處理高斯玻色取樣問題的速度比目前最快的超級計算機“富岳”快100萬億倍，標志著我國也成功達到了量子計算優(yōu)越性的里程碑，且“九章”的等效速度比谷歌的“懸鈴木”快100億倍左右。

　　除了“九章”代表的光量子體系，超冷原子和超導線路也是公認最有可能率先實現大規(guī)模量子比特相干操控的物理體系。在超導量子計算方面，我國近期也有望實現超越谷歌的“量子計算優(yōu)越性”。在超冷原子體系中，我國在規(guī)模化原子糾纏的制備與操縱，對自旋軌道耦合、超冷分子反應等的量子模擬方面取得了系列重要成果，這為實現超冷原子體系的專用量子模擬機奠定了基礎。

　　離子、硅基量子點等物理體系同樣具有多比特擴展和容錯性的潛力，也是目前國際量子計算研究的熱點方向。在這些體系的量子計算基本要素方面，我國積累了大量關鍵技術，與國際主要研究力量處于并跑水平。

　　此外，由于拓撲量子計算在容錯能力上的優(yōu)越性，利用拓撲體系實現通用量子計算機是面向長遠的重要研究目標，目前國內外均在為實現單個拓撲量子比特而努力，這將是一項“從0到1”的突破。

　　調控技術迅速發(fā)展 精密測量已經進入量子時代 

       科技日報記者：除上述兩大領域外，量子精密測量也是量子科技非常重要的細分領域，相比而言，公眾可能對它比較陌生。能否請您介紹一下，量子技術對精密測量的意義？

　　潘建偉：量子狀態(tài)對環(huán)境高度敏感，其實就是一個非常靈敏的傳感器。同時，物理量的量子化也提供了一個非常精確的基準，比如光子是光能量的最小單元，在一定頻率下，一個光子的能量就是固定值，那么如果我們能夠一個個地“數”光子的話，基本物理量中的發(fā)光強度就可以用光子數來定義，精度和穩(wěn)定性都會大幅提升。這里“數”光子其實就是指量子調控的能力。

　　正是鑒于量子調控與量子信息技術的快速發(fā)展，2018年第26屆國際計量大會通過了量子化方法定義國際單位制的重大決議。事實上，時間、位置、加速度、電磁場等很多物理量，都可以利用量子技術實現超越經典技術極限的精密測量。

　　科技日報記者：量子精密測量包括了哪些應用領域？

　　潘建偉：量子精密測量的主要應用包括高精度光頻標與時間頻率傳遞、量子陀螺儀、原子重力儀等量子導航技術，以及量子雷達、痕量原子示蹤、弱磁場探測等量子靈敏探測技術等。這些技術將在慣性導航、下一代時間基準、隱身目標識別、全球地形測繪、醫(yī)學檢驗等廣泛領域發(fā)揮重要作用。

　　我國量子精密測量領域的研究整體上相比發(fā)達國家還存在一定差距，但這個差距近年來正在迅速縮小，并且在部分方向上已經與公開報道的國際最高水平相當。(作者：畢文婷）

　　轉自：科技日報

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