□崔建军 程堂义 鲍雷

2016年8月，由中国科学技术大学潘建伟团队研发的“墨子”号世界首颗量子科学实验卫星发射成功，2020年12月4日，由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等人研发的世界最快量子计算机“九章”在合肥诞生。这些使得合肥成为世界量子科技发展的前沿阵地。

合肥研发世界首颗量子卫星

说到量子科技，不少人可能更想知道量子究竟是什么？其实，量子是现代物理的重要概念，即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。

相关资料表明，“量子”一词最早是由德国物理学家普朗克在1900年提出的。自从普朗克提出量子这一概念以来，经过众多科学家的完善，在20世纪前半期初步建立了完整的量子力学理论。而近些年兴起的量子信息科学则是量子力学与信息学交叉形成的一门边缘学科，它给经典信息科学带来了新的机遇和挑战，量子的相干性和纠缠性给计算科学带来迷人的前景。当前，我国在量子信息科学领域的研究工作与国际同步，并且在许多方面居于国际领先地位。2016年8月，由中国科大潘建伟团队研发的世界首颗量子科学实验卫星发射成功就是一个例证。

2016年8月16日1时40分，我国用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星（简称“量子卫星”）发射升空。

2016年8月16日1时40分，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。量子卫星研发计划在2011年12月立项，是中科院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。其主要科学目标一是进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，在空间尺度验证量子力学理论。

据量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍，我国自主研发的量子卫星突破了一系列关键技术，包括高精度跟瞄、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等。量子卫星的成功发射和在轨运行，将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升，有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破，对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

那么，量子卫星到底有什么作用呢？专家介绍，量子卫星的发射，将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。量子通信的安全性基于量子物理基本原理，单光子的不可分割性和量子态的不可复制性保证了信息的不可窃听和不可破解，从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全，可从根本上、永久性解决信息安全问题。“形象一点说，就是天知地知、你知我知的密信将不再是神话。”

我们知道，传统的加密手段，都是依赖所谓的计算复杂度。但是随着计算能力的增加，在某种程度上肯定是会被破解的。而量子通信利用基于物理学的基本原理，利用微观世界的最小单元，在原理上将实现不可被窃听、破解和复制的奇迹。因为在量子通信中将这种小颗粒用来做信号，就不能被分割成半个小颗粒，就像水分子不能分成1/2个水分子一样。

世界最快量子计算机“合肥造”

2020年12月4日，我国量子科技研究再传好消息：中国科学技术大学的潘建伟、陆朝阳等人构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。也就是说，超级计算机需要一亿年完成的任务，“九章”只需一分钟。同时，“九章”也等效地比谷歌上年发布的53个超导比特量子计算机原型机“悬铃木”快一百亿倍。

“九章”量子计算原型机实物图（资料图片）

什么是量子计算机呢？据专家介绍，量子计算机是用量子力学原理制造的计算机，目前还处于很初步的阶段。相应地，现有的我们在用的计算机被称为经典计算机。量子计算机就是利用量子天然具备的叠加性，施展并行计算的能力。“九章”的成果，就是实现了量子计算优越性。

那么，“九章”到底长啥样呢？从相关报道中我们了解到，外观上看与其说它是计算机，倒不如说是一台敞开式的运算系统：实验桌上3平方米左右的格子里摆满了上千个部件。而这些都是量子计算机原型机的光路。另一张桌子上摆放着“九章”的接收器。“如果你站在两张桌子之间，就意味着你置身于‘九章’之中。”从科学家的话中我们看到，神秘的“九章”其实就是一堆光路和接收装置。

基于量子的叠加性，许多量子科学家认为，量子计算机在特定任务上的计算能力将会远超任何一台经典计算机。2019年，谷歌第一个宣布实现了量子优越性。他们用的量子计算机叫作“悬铃木”。据了解，“悬铃木”包含53个量子比特的芯片，花了200秒对一个量子线路取样一百万次，而现有的最强的超级计算机完成同样的任务需要一万年。据专家介绍，“九章”在同样的赛道上，比“悬铃木”快一百亿倍，这就是等效速度，也意味着我国在量子计算上实现了“量子霸权”。“这就好比赛跑，谷歌的机器短跑能跑赢超算，长跑跑不赢；‘九章’则短跑、长跑都能跑赢。”专家形象地比喻道。可以说，“九章”的成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的“第一方阵”地位。

量子科技，未来可期

2003年，中国科学技术大学团队首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验，首次成功地实现了自由量子态隐形传输。而在当时，恐怕没有人能预见到中国将在量子通信领域实现引领。如今，中国科学家不仅在基础理论研究中频传佳绩，更将量子通信带入实际应用：建成国际上规模最大的量子通信网络“合肥城域量子通信试验示范网络”，建设“京沪干线”量子保密通信工程；量子科学实验卫星“墨子号”顺利升空并开展实验；世界最快量子计算机“九章”诞生……

神奇的量子

当然，量子技术最终的目的还是要“飞入寻常百姓家”，为普通人的工作、生活带来便利。据相关专家介绍，量子通信目前已经实现在金融、政务系统等中的使用，但要让每个人都用上，那还需要一段时间。因为这需要对网络基础设施进行改造，还涉及标准制定。到时候，个人的网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号了。

其实，量子科学和技术已经在方方面面影响着我们的日常生活。我们目前正在广为使用的计算机、手机、互联网、时间标准和导航，包括医院里的磁共振成像等，无一不得益于量子科学和技术。

据专家介绍，用发展的眼光看，随着微纳加工、超冷原子量子调控等技术的不断进步，人类将能够制备出越来越复杂、功能越来越强大的各种人造量子系统，例如，包括量子计算机芯片在内的各种量子电路，其功能和信息处理能力将远远超过我们目前正在使用的经典芯片，并且更加节能；再如可望制备出达到量子极限的能量收集和转换器件，将引发能源变革；也有望大幅提升对时间、位置、重力等物理量超高精度的测量，不仅实现超高精度的潜艇定位、医学检测等，也将加深对物理学基本原理的认识。

总之，量子科学和技术的广泛应用最终将把人类社会带入到量子时代，实现更高的工作效率、更安全的数据通信，以及更方便和更绿色的生活方式。我们有理由期待，中国科学家将在理论研究与应用技术上取得更大突破，在量子科学革命中引领风骚。而合肥也将会在其中发挥更大的作用。

《合肥晚报》（2021年12月10日A9版）

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