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2021年10月22日
【安徽科技报】潘建伟:在量子世界“20年磨一剑”

我国建成地球上最大、最先进的量子密钥分发网络。中国科学技术大学1月7日宣布,中国科研团队成功实现了跨越4600公里的星地量子密钥分发,我国构建的天地一体化广域量子通信网雏形初现。

从2001年中国科学技术大学组建起国内首个量子实验室,到建立“量子计算优越性”里程碑、推动构建全球首个星地量子通信网,该校潘建伟院士团队见证了我国量子信息的20年发展之路。

“在中国建一个世界领先的量子实验室”

进入21世纪以来,量子信息科技蓬勃发展,它可以在提高运算速度、确保信息安全、提升测量精度等方面突破经典的技术极限。2001年,已在量子信息方面取得国际成就的潘建伟,带着“在中国建一个世界领先的量子实验室”的决心从奥地利回国,在中国科学技术大学组建实验室。

实际上,在这之前,国内科学家对量子信息发展就已经开始行动。为了国内能够迅速跟上量子信息这一新兴领域的发展步伐,从1997年开始,潘建伟每年都利用假期回到中科大进行学术交流,通过各种渠道和国内科学家们一起为我国量子信息领域的发展提出建议,并带动一批研究人员进入这一领域。1998年6月,在中科大近代物理系的支持下,张永德教授和郭光灿教授牵头发起了我国第一次关于量子信息的香山会议,标志着我国的量子信息研究拉开序幕,中科大成为我国最早开始量子信息研究的高校。

量子信息研究在世界发达国家发展很快,但在国内基础非常薄弱。为能够更快地前进,中科大量子团队与国际上的先进团队保持密切联系,虚心学习。通过几年的积累,2003年团队在《物理评论快报》上一口气发表了7篇论文。2004年,量子团队实验室进入合肥微尺度物质科学国家实验室(筹),一批优秀的年轻人才在这里得到锻炼和培养、脱颖而出。同年,团队在国际上首次实现五光子纠缠及终端开放的量子隐形传态,成果发表在《自然》杂志上,这也是该杂志刊发的首篇国内量子信息研究领域论文,这表明我国量子研究在多光子纠缠操纵方面已经一跃而至国际领先水平。

为了实现可升级的量子信息处理,2003年,潘建伟来到德国海德堡大学物理所,以玛丽·居里讲席教授的身份从国内招收研究生和博士后,为国内培养冷原子量子存储和超冷原子量子调控方面的研究力量。在他的建议下,实验室的优秀毕业生还分散到德国、英国、美国、瑞士、奥地利等国去学习各种相关先进技术。

2008年,潘建伟辞去海德堡大学的职位,同时将实验装置陆续搬迁回中科大。2009年60周年国庆之际,受邀在人民大会堂观看《复兴之路》的潘建伟心情十分激动,现场给在国外的学生们群发了一条短信:“我正在人民大会堂看《复兴之路》,感触良多!甚望你能努力学习提升自己,早日学成归国为民族复兴、科技强国尽力!”

优秀人才相继聚集到了中科大量子团队,一支在量子信息所需主要关键技术方面都具有较强实力并且优势互补的团队一步一步组建完备,潘建伟脑中的量子筑梦计划也开始一步步走向现实。

“在国内一定能够拥有比国外更广阔的事业发展空间”

量子通信提供了原理上无条件安全的通信方式,可以大幅提升现有信息系统的安全性。它的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接,是广域量子通信网络的发展路线。

沿着这一路线,经过多年的努力,潘建伟团队将城域光纤量子通信技术发展到了初步满足实用化要求的水平,自主研制的量子通信装备已经为国家重要活动提供了信息安全保障。为了构建远距离量子通信技术体系,2016年底,国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”在合肥宣告建成,它在金融、政务、电力等领域开展量子保密通信的技术验证与应用示范,为核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和未来规模化的应用起到了良好的推动作用。

远距离光纤量子通信的最终解决方案是量子中继,其核心技术是高性能的量子存储。“通过与海德堡大学合作研究的技术积累,我们实现的冷原子量子储存已经在原理上可以满足基于量子中继的500公里光纤量子通信的需求。”潘建伟说。

通过卫星平台的中转来实现遥远地点之间的量子通信,是构建全球化量子通信网络更加有效的方式。在中科院的前瞻性支持和统筹组织下,通过与中科院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院和光电技术研究所等单位多年的协同攻关,潘建伟团队突破了一系列星地自由空间量子通信的关键技术。

2011年,中科院迅速决策,“量子科学实验卫星”先导专项正式立项。差不多同一时期,欧洲相关团队也向欧空局提出开展卫星量子通信研究的项目申请。由于我国前期实验基础扎实、技术积累雄厚、决策行动迅速,使得我国自由空间量子通信的研究大幅领先欧美相关国家。“后来国外的同事向我们请求,希望加入到我国的项目中开展国际合作。这让我深刻地体会到,随着国家经济实力的增强和对科技创新日益增长的重视,我们在国内一定能够拥有比国外更广阔的事业发展空间。”潘建伟感慨道。

2016年8月16日,“墨子号”量子卫星成功发射。“墨子号”量子卫星在轨运行半年后,圆满完成了全部既定科学目标,充分验证了通过卫星平台实现远距离量子通信的可行性。结合“墨子号”量子卫星和“京沪干线”,我国构建了国际上首个天地一体的广域量子通信网络雏形,为将来的规模化应用奠定了坚实的科学与技术基础。

潘建伟表示,量子通信具有明显的应用导向,从实验室走向实际应用的过程中,需要经历基础研究、关键技术研发、工程化集成与验证等阶段,然后才能实现规模化商业应用。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等,都是基于我国前期十余年的基础和应用研究成果而进行的工程化集成与验证项目,稳步推进了量子通信的现实应用。也正是由于我国率先开展了规模适度的量子通信技术验证与应用示范,推动了我国在量子通信领域占据了国际领先地位。

“向更远的里程碑继续努力”

量子计算具有强大的并行计算和模拟能力,为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案,并可揭示量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制。量子计算的计算能力随着可操纵的量子比特数呈指数增长,因此量子计算研究的核心任务是量子比特的规模化相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模,国际学术界公认量子计算有几个阶段性的里程碑。

第一个里程碑是实现“量子计算优越性”,即量子计算机对特定问题(如玻色取样、组合优化等)的计算能力超越传统超级计算机,达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。得益于在多光子纠缠操纵方面长期积累的优势,2017年潘建伟团队实现了5个输入光子的玻色取样,首次超越了早期的经典计算机ENIAC和TRADIC。在进一步自主研制高亮度高品质的量子光源、开发高频高精度锁相技术的基础上,2020年底该团队又实现了76个光子的量子计算原型机“九章”。根据现有最优的经典算法,“九章”处理更为复杂的“高斯玻色取样”问题的速度,比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍,等效速度比谷歌的量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了“量子计算优越性”的里程碑。同时,据潘建伟透露,中科大团队在超导量子计算方面也已经有了较好的进展,有望在近期实现超导体系的“量子计算优越性”。

第二个里程碑是实现真正“有用”的专用量子模拟机,能够解决一些经典计算机难以求解的有重大应用价值的问题。这些问题在强关联体系中处处存在,每一个问题的解决都将是物理学的重大突破。达到这一里程碑需要相干操纵数百到上千个量子比特。由于相互作用可精确操纵的优势,超冷原子是最有可能率先实现专用量子模拟机的物理体系之一。经过充分的积累,近年来潘建伟团队在超冷原子量子模拟方向上开始不断产生优秀的成果,包括首次实现二维自旋-轨道耦合的人工制备、首次实现71个格点的量子模拟器并准确模拟了一维格点体系的Schwinger模型、首次观测到超低温度下基态分子与原子之间的散射共振等。这些工作为实现规模化的超冷原子量子计算与模拟奠定了基础。

量子计算的终极梦想则是第三个里程碑:实现可编程的通用量子计算机,即相干操纵至少数百万个量子比特,同时将量子比特的操纵精度提高到超越容错阈值(99.9%),能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于技术上的巨大挑战,何时实现通用量子计算机尚不明确,学术界一般认为还需要15至20年甚至更长的时间。“20年磨一剑,我们非常有幸推动了我国的量子计算研究牢固确立了国际第一方阵的地位。”潘建伟说,他将带领团队朝向更远的里程碑继续努力,争取形成更大的优势。(陈婉婉)

《安徽科技报》(2021年10月22日08版)

http://ahkjb.nkb.com.cn/ahkjb/news/289/2762/16622-1.shtml

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