潘建偉：已實現255個光子計算原型機_風聞

中國科學院院士、中科院量子信息與量子科技創新研究院院長、中國科學技術大學常務副校長潘建偉視頻演講

  “在2020年我們實現了76個光子的量子計算原型機‘九章’，‘九章’在求解高斯波斯取樣的特定問題上，速度是當時最快的經典超級計算機的10萬倍。之後我們的系統進行了不斷的升級，近期我們已經實現了255個光子的933號光量的計算原型機，它針對特定問題的求解能力已經比經典的超級計算機快1000萬億倍。”5月10日，在澳門舉辦的第三屆BEYOND國際科技創新博覽會（BEYOND Expo 2023）上，中國科學院院士、中科院量子信息與量子科技創新研究院院長、中國科學技術大學常務副校長潘建偉介紹了目前量子科技方面的工作和對此領域的未來展望。

   在會上，潘建偉透露，“當前我們正在研製第一顆中高軌量子衞星，計劃2026年前後發射。除了要實現量子密鑰分發之外，這也為中高軌衞星量子精密測量提供了新的平台。”同時，潘建偉稱計劃在中高軌衞星上搭載一顆超高精度的光鍾，它的穩定度將達到10的-19次方，也就是説一年的誤差不超過一秒。

  以下為澎湃科技（www.thepaper.cn）整理的潘建偉在BEYOND Expo 2023上的演講實錄：

  2022年的諾貝爾物理學獎頒給了3位量子科技領域的先驅，以表彰他們利用糾纏光子實現了貝爾不等式的違背（意味着糾纏粒子對確實是不可分離的整體，無法賦予其中每個粒子單獨的局域性質），並因此開創量子信息科學。非常高興的是，在2022年諾貝爾物理學獎的新聞發佈會和科學背景介紹中，都對中國科學家的相關工作進行了重點介紹，包括墨子號量子衞星實現星地的密鑰分發、地星量子隱形傳態以及我們最近的設備無光的量子密鑰分發的工作。

   為了便於大家理解，首先請允許我對量子疊加原理進行簡要介紹。大家都知道，在我們的日常生活中，一隻貓在某一個確定的時刻只能處於活或者死狀態裏面的某一個。然而根據量子疊加原理，在量子事件當中一隻貓可以同時處在兩種狀態。當把量子疊加原理拓展到多粒子體系，我們就可以得到量子糾纏的概念。例如在量子世界當中的兩隻貓，可以同時處於活和死狀態的相關疊加。這種狀態就像兩個骰子一樣，不論它們相距多麼遙遠，其中一個擲出的點數和另外一個一定是一樣的。愛因斯坦將量子糾纏的這種現象稱為遙遠地點之間的詭異的互動。

   在物理上任何兩能級的系統（含有兩個能級的量子系統）都可以用來構建一個量子比特，比如我們可以用一個光子水平和素質兩種極化狀態來編碼一個量子比特的信息。對於兩光子的量子系統就可以處在四個最大的極化糾纏之中，再通過貝爾不等式來檢驗量子力學被定義的過程，物理學家從中發展出可對量子系統進行高精度調控的量子技術，從而導致了量子信息科學的誕生。

   量子信息科學主要包括兩方面的應用：第一，利用量子通訊我們可以提供一種原理上是無條件安全的通訊方式。第二，利用量子計算我們可以大幅度提高運算。

   量子密鑰分發是最著名的量子通訊協議，可以實現基於單光紙的量子密鑰分發（Quantum Key Distribution，QKD），從而在兩個用户之間產生安全的密鑰，再結合一事一議，就可以實現無條件安全的信息傳輸。同時，也可以實現基於量子糾纏的量子密鑰分發。

   在量子計算當中，人們是利用量子比特來編碼信息，利用量子疊加原理實現超快的並行計算，從而在原理上可以達到指數級的加速。大數分解算法是目前最著名的量子算法，比如要分解一個300位的自然數，利用每秒運算萬億次的經典計算機需要15萬年，而用同樣運算速度的量子計算機則只需要一秒鐘。因此量子計算機可以應用在破解經典密碼、天氣預報、金融分析和藥物設計等多個領域。為了實現廣義的量子通訊網絡，我們可以利用光纖來構建城域量子通訊，利用量子中繼來實現兩個城市之間的城際量子通訊，在量子衞星平台進一步的幫助下，可以實現遠距離的量子通訊。

   我國科學家經過近20年的努力，成功研製了世界上首顆量子科學衞星墨子號並在2016年8月成功發射。到了2017年9月，遠距離光纖量子通訊骨幹網——京滬幹線正式開通。結合墨子號和京滬幹線，我們在廣域量子通訊網絡雛形的技術上已經初步驗證建立一體化的量子網絡在原理上可行。而在量子計算方面，實現通用的量子計算機還需要長時間的努力。

   為了確保該領域的健康發展，學術界設定了三個發展階段。

   第一個階段是要實現量子計算的優越性，量子計算系統對某些特定問題的求解速度已經遠遠超過了經典超級計算機，展現出量子計算本身的優越。第二階段是構建專用的量子模擬器，用來求解一些經典計算機難以勝任的特定複雜問題，比如高温超導機制等。最後第三階段的目標是希望在量子糾纏的幫助下，實現通用的可編程量子計算。

   在2020年我們實現了76個光子的量子計算原型機“九章”。“九章”在求解高斯波斯取樣的特定問題上，速度是當時最快的經典超級計算機的10萬倍。之後我們的系統進行了不斷的升級，近期我們已經實現了255個光子的933號光量的計算原型機，它針對特定問題的求解能力已經比經典的超級計算機快1000萬億倍。

   為了在未來實現全球化的量子通訊，我們需要克服目前衞星量子通訊所面臨的難題。一是單顆的低軌衞星沒辦法直接覆蓋全球；二是目前的衞星還只能在低區工作，而相應的解決方案是通過發射多顆低軌衞星來構成一個高效率的衞星網絡。也就是説在所謂量子星座的基礎上，我們可以發射具有更長過境時間的中高軌衞星，以此來分發更多的密鑰。

   而這些方案實現的一個根本前提，就是衞星能在太陽輻射的背景下工作。在2017年的時候，我們已經實現在日光背景下的遠距離自由空間量子通信的地面實驗，驗證了量子通訊是全天可行的，實現了實用化、低成本和輕量化的微量量子衞星。

   國際上首顆微納量子衞星濟南一號已經在2022年7月發射，它載荷的重量只有20公斤，與墨子號相比已經大幅度降低。當前我們正在研製第一顆中高軌量子衞星，計劃2026年前後發射。除了要實現量子密鑰分發之外，這也為中高軌衞星量子精密測量提供了新的平台。

   我們利用中高軌量子衞星實現萬公里量級的量子糾纏分發，在未來將藉助全球化的糾纏分發將多個原子糾纏起來，從而大幅度提高原子中的穩定。與此同時，我們計劃在中高軌衞星上搭載一顆超高精度的光鍾，它的穩定度將達到10的-19次方，也就是説一年它的誤差不超過一秒。

   利用高精度的光鍾和高精度的光頻標的傳輸，就可以實現全球化的高精度提升，相比當前微波受損的準確度可以提高4個數量級，為新一代的秒定義提供了相應的技術支撐。在外太空由於磁場和地球引力的噪聲極其微弱，所以在原則上光鐘的穩定度可以達到10的-21次方。

   利用超高精度的光鍾和超高精度的光頻傳輸，我們可以在外太空構建一個干涉儀，利用干涉儀開展一些物理學基本原理的檢驗，包括暗物質的探測和引力波的探測等等。

   在量子計算領域，我們希望在未來的5年可以達到對數百個量子比特的相關操縱，構建專用的量子模擬器能幫助我們理解一些複雜物理系統規律，如高温超導的機理，量子霍爾效應等等。通過10至15年的努力，我們希望能夠操縱上百萬個量子比特，並實現量子糾纏，初步構建可編程的通用量子計算機。

---以上摘自《科學網》