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2021年12月20日
【瞭望】中国科学院院士潘建伟:量子科技关乎国家战略 唯有不断突破创新

《瞭望》新闻周刊记者 徐海涛 周畅 陈诺

2015年5月26日,潘建伟在中科大上海研究院的实验室里调试设备 张端摄/本刊

“九章”和“祖冲之二号”的成果,使得我国成为目前唯一在两种物理体系都实现“量子计算优越性”的国家,牢固确立了量子计算研究国际第一方阵的地位


2016年8月,“墨子号”量子科学实验卫星发射升空,标志着我国走向全球量子通信研究的引领地位。2020年12月,中国科学技术大学宣布该校潘建伟等成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”,使我国成为全球第二个实现“量子计算优越性”的国家。2021年10月,113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”宣布诞生。

从“墨子号”到“九章二号”,中国科学院院士潘建伟心中不变的是对量子世界的探索和对我国量子科技发展的追求。

潘建伟告诉《瞭望》新闻周刊,量子科技关乎国家战略,心怀“国之大者”,唯有不断突破创新,要努力探索更加灵活高效、资源整合的协同创新之路,使我国量子科技发展始终走在世界前列。

“中国人一样可以做好科研”

《瞭望》:为何给世界上首颗量子科学实验卫星起名“墨子号”?

潘建伟:现在看发射录像感觉很轻松,但其实在发射前30秒,我一直双手合十,希望卫星能成功进入太空。给这颗卫星取名“墨子号”,是因为墨子是中国历史上的“科圣”,想告诉大家:中国人一样可以做好科研。

墨子生活在2400年前,他主张兼爱、非攻,也就是平等博爱、反对战争。他在《墨经》里提出“止,以久也,无久之不止”,说的是一个物体之所以会停下来,主要因为受到力的作用,如果没有阻力的话,一个物体的运动是永远不会停止的,这其实与牛顿第一运动定律是相同的概念。此外,墨子在2000多年前就做过小孔成像实验。我们知道光只有沿着直线传播才会有这种现象。

我们将世界上首颗量子科学实验卫星取名为“墨子号”,一方面是为了纪念墨子在光学研究方面取得的成就,同时也为彰显我们的文化自信。

《瞭望》:“墨子号”起到了什么样的作用?

潘建伟:利用量子卫星建立量子通信网络,可以在全球范围内覆盖各类海岛、远洋船舶、驻外机构等光纤难以或者无法到达的地方,保障我国在全球范围的信息传输安全。“墨子号”的实验充分验证了这一可行性。

“墨子号”已顺利完成三大科学实验任务。在此基础上,又完成了“墨子号”和“京沪干线”的对接,实现了洲际量子保密通信。此外,“墨子号”还对量子力学与引力的融合等物理学基本问题检验提供了新的平台。

量子计算研究位于国际第一方阵

《瞭望》:成功构建量子计算原型机“九章”的意义是什么?

潘建伟:根据当时最优的经典算法估计,“九章”对高斯玻色取样问题的计算速度,比世界最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍,从而在全球第二个实现了“量子计算优越性”。取名“九章”,则是为了纪念中国古代著名数学专著《九章算术》。

实现2020年这次突破,我们其实历经了20年的努力。“九章”的突破,主要攻克了三大技术难关:高品质量子光源、高精度锁相技术、规模化干涉技术。

今年以来,我们团队进行了一系列概念和技术创新,近期成功研制出“九章二号”。我们主要有三大突破,首先显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率,将光源关键指标从63%提升到92%。其次,将多光子量子干涉线路从100维度增加到144维度,操纵的光子数从76个增加到113个。第三,新增了可编程功能。

结果显示,“九章二号”的算力实现巨大提升。根据目前已发表的最优经典算法,“九章二号”求解高斯玻色取样问题的处理速度,比全球最快的超级计算机快亿亿亿倍,比76个光子的“九章”快100亿倍。目前的“九章二号”还只是“单项冠军”,只能求解高斯玻色取样这一特定问题,但对这一问题的求解在图论、量子化学等领域具有潜在应用价值。

《瞭望》:量子计算包括多条技术路线,我国在超导量子计算上的布局是怎样的?

潘建伟:除了光量子计算,我们在超导量子计算方向也有较好的布局。

今年5月,我们构建了当时超导量子比特数目最多的62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”,实现了可编程的二维量子行走。在“祖冲之号”的基础上,我们采用全新的倒装焊3D封装工艺,解决了大规模比特集成的问题,研制成功“祖冲之二号”,实现了66个数据比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成。通过量子编程的方式,我们实现了对量子随机线路取样,演示了“祖冲之二号”可用于执行任意量子算法的编程能力。根据目前已公开的最优化经典算法,“祖冲之二号”对量子随机线路取样问题的处理速度比目前最快的超级计算机快千万倍以上,比谷歌的同类型原型机“悬铃木”快约四万倍。

“九章”和“祖冲之二号”的成果,使得我国成为目前唯一在两种物理体系都实现“量子计算优越性”的国家,牢固确立了量子计算研究国际第一方阵的地位。

奋进量子信息战略技术

《瞭望》:量子信息技术发展会给我们带来什么?

潘建伟:量子信息技术不仅是我国的战略技术,也已经成为欧美主要发达国家的重要战略布局。正如晶体管是计算机的基础,激光技术是现代互联网的重要支撑,导航技术的发展离不开原子钟等精密测量技术的支撑……量子力学的建立直接催生了现代信息技术的发展。经过百余年的发展历程,量子力学已经为解决我们目前遇到的一些问题做好了技术上的储备。

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。

量子计算的计算能力随着量子比特数目的增加呈指数增长。量子计算并行运算的能力,可用于大数分解、求解线性方程组等。如利用万亿次经典计算机分解300位的大数,需要15万年,但是利用万亿次量子计算机,只需要1秒。因此,量子计算显现出强大的潜能,可用于经典的密码破译、气象预报、金融分析、药物设计、揭示新能源新材料机制等等多种应用。

《瞭望》:你接下来的目标是什么?

潘建伟:在量子计算领域,国际学术界定义了3个阶段性的目标,第一阶段目标已经达到了。第二阶段是完成量子纠错的原理实现,研制相干操纵数百个量子比特的专用量子模拟机,应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题,指导材料设计、药物开发等。达到该阶段需要5至10年,是当前的主要研究任务。

在量子通信领域,我们希望通过10到15年的努力,发展出完整的天地一体广域量子通信的相关技术,并推动量子通信在金融、政务、能源等领域的广泛应用。同时,利用广域量子通信发展出来的高精度光量子传输技术和空间量子科学实验平台,构建高精度的时间频率传输网络,对下一代“秒”定义作出重要贡献。在此基础上,我们希望能够开展对引力波探测、暗物质搜索等物理学基本问题的研究。

《瞭望》2021年第51期

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