量子計(jì)算正從“玩具”變成“工具”

— 訪中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉

量子通信未來(lái)的發(fā)展，一方面需要擴(kuò)大量子通信網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋范圍，包括實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫銜接、實(shí)現(xiàn)可支持千公里量級(jí)的量子中繼、發(fā)展下一代可全天時(shí)工作的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等;另一方面，需要在工程化集成與驗(yàn)證的實(shí)踐中推動(dòng)核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定和規(guī)模化的應(yīng)用示范。

30多年前，在科學(xué)家們對(duì)量子疊加、量子糾纏等量子力學(xué)基本問(wèn)題的研究過(guò)程中，精細(xì)的量子調(diào)控技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，使得人類(lèi)從對(duì)量子規(guī)律的被動(dòng)觀測(cè)跨越到對(duì)量子狀態(tài)的主動(dòng)精確操縱，由此我們現(xiàn)在所說(shuō)的“量子科技”便誕生了。

量子科技是融合量子調(diào)控和信息技術(shù)而產(chǎn)生的新興學(xué)科。在這一領(lǐng)域，我國(guó)已經(jīng)取得了一系列重要科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵核心技術(shù)突破，并在部分方向?qū)崿F(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先。我國(guó)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(gòu)建，從基礎(chǔ)研究到實(shí)用化、工程化的轉(zhuǎn)化之路將如何實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)性突破?科技日?qǐng)?bào)記者對(duì)中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉進(jìn)行了專(zhuān)訪，請(qǐng)他談?wù)剬?duì)量子科技發(fā)展的思考。

不會(huì)取代現(xiàn)有通信方式 量子通信將大幅提升信息安全水平

科技日?qǐng)?bào)記者：在“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空后，我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)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(shí)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(gè)新興領(lǐng)域，但它并不是要取代現(xiàn)有的通信方式，恰恰相反，它將以一種新的途徑來(lái)大幅提高現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。

現(xiàn)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(méi)有能?chē)?yán)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(kāi)信道中，通過(guò)量子密鑰分發(fā)實(shí)時(shí)產(chǎn)生密鑰并安全便捷地分配到用戶(hù)，使得在量子密鑰的傳輸過(guò)程中，如果信息被竊聽(tīng)，竊聽(tīng)者無(wú)法做到不留下痕跡。而且這一點(diǎn)是絕對(duì)的，是由量子力學(xué)基本原理所保證的。

換句話說(shuō)，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?qǐng)?bào)記者：目前，我國(guó)已通過(guò)“墨子號(hào)”和“京滬干線”的實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了首個(gè)天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，我國(guó)量子通信也已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。那么，為持續(xù)保持引領(lǐng)地位，我國(guó)還需要在哪些方面著力?

潘建偉：量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。首先通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接，最終通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)中轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接，這是廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線。

按照這一路線，量子通信未來(lái)的發(fā)展，一方面需要擴(kuò)大量子通信網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋范圍，包括實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫銜接、實(shí)現(xiàn)可支持千公里量級(jí)的量子中繼、發(fā)展下一代可全天時(shí)工作的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等;另一方面，需要在工程化集成與驗(yàn)證的實(shí)踐中推動(dòng)核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定和規(guī)模化的應(yīng)用示范。

有3個(gè)里程碑發(fā)展階段 通用量子計(jì)算機(jī)誕生或還需20年

科技日?qǐng)?bào)記者：除量子通信外，量子計(jì)算也得到了極高的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外均有企業(yè)聲稱(chēng)已進(jìn)入到量子計(jì)算領(lǐng)域，但同時(shí)也有觀點(diǎn)認(rèn)為量子計(jì)算還很遙遠(yuǎn)。對(duì)此您怎么看?

潘建偉：量子計(jì)算研究是一個(gè)高度復(fù)雜的工作，對(duì)于學(xué)術(shù)界而言，還是要循序漸進(jìn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)個(gè)階段性的目標(biāo)。國(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的量子計(jì)算發(fā)展有幾個(gè)里程碑階段——

第一個(gè)里程碑是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，即量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越超級(jí)計(jì)算機(jī)，這需要相干操縱約50個(gè)量子比特。2019年谷歌實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”就包含53個(gè)超導(dǎo)量子比特，在求解隨機(jī)線路采樣問(wèn)題上超越了超級(jí)計(jì)算機(jī)，也就是成功實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性。但是，求解隨機(jī)線路采樣目前看來(lái)還沒(méi)有現(xiàn)實(shí)意義，現(xiàn)在的量子計(jì)算原型機(jī)更像是一個(gè)“玩具”，只能在玩某一個(gè)游戲方面擊敗經(jīng)典計(jì)算機(jī)，它的重要意義在于，證明了量子計(jì)算機(jī)是可以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的。

第二個(gè)里程碑是實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用量子模擬機(jī)，即相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特，用于解決若干超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的實(shí)用問(wèn)題，例如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等。到這個(gè)時(shí)候，量子計(jì)算機(jī)才真正開(kāi)始有用，變成一個(gè)“工具”。我們希望能夠在5—10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這樣的量子模擬機(jī)，這是當(dāng)前的主要研究任務(wù)。

第三個(gè)里程碑是實(shí)現(xiàn)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，即相干操縱至少數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特，同時(shí)將量子比特的操縱精度提高到超越容錯(cuò)閾值(>99.9%)，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)可能就和我們現(xiàn)在觀念中的計(jì)算機(jī)差不多了，可以用來(lái)快速解決很多問(wèn)題。不過(guò)，由于技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)，何時(shí)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)尚不明確，學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為還需要20年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。

科技日?qǐng)?bào)記者：前不久，您的團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，據(jù)媒體報(bào)道，其可以在1分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)1億年才能完成的任務(wù)。您認(rèn)為，我國(guó)的量子計(jì)算正處于什么階段?

潘建偉：根據(jù)現(xiàn)有的最優(yōu)經(jīng)典算法，“九章”處理高斯玻色取樣問(wèn)題的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬(wàn)億倍，標(biāo)志著我國(guó)也成功達(dá)到了量子計(jì)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(dǎo)線路也是公認(rèn)最有可能率先實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特相干操控的物理體系。在超導(dǎo)量子計(jì)算方面，我國(guó)近期也有望實(shí)現(xiàn)超越谷歌的“量子計(jì)算優(yōu)越性”。在超冷原子體系中，我國(guó)在規(guī)模化原子糾纏的制備與操縱，對(duì)自旋軌道耦合、超冷分子反應(yīng)等的量子模擬方面取得了系列重要成果，這為實(shí)現(xiàn)超冷原子體系的專(zhuān)用量子模擬機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

離子、硅基量子點(diǎn)等物理體系同樣具有多比特?cái)U(kuò)展和容錯(cuò)性的潛力，也是目前國(guó)際量子計(jì)算研究的熱點(diǎn)方向。在這些體系的量子計(jì)算基本要素方面，我國(guó)積累了大量關(guān)鍵技術(shù)，與國(guó)際主要研究力量處于并跑水平。

此外，由于拓?fù)淞孔佑?jì)算在容錯(cuò)能力上的優(yōu)越性，利用拓?fù)潴w系實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)是面向長(zhǎng)遠(yuǎn)的重要研究目標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外均在為實(shí)現(xiàn)單個(gè)拓?fù)淞孔颖忍囟Γ@將是一項(xiàng)“從0到1”的突破。

調(diào)控技術(shù)迅速發(fā)展 精密測(cè)量已經(jīng)進(jìn)入量子時(shí)代

科技日?qǐng)?bào)記者：除上述兩大領(lǐng)域外，量子精密測(cè)量也是量子科技非常重要的細(xì)分領(lǐng)域，相比而言，公眾可能對(duì)它比較陌生。能否請(qǐng)您介紹一下，量子技術(shù)對(duì)精密測(cè)量的意義?

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

正是鑒于量子調(diào)控與量子信息技術(shù)的快速發(fā)展，2018年第26屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)了量子化方法定義國(guó)際單位制的重大決議。事實(shí)上，時(shí)間、位置、加速度、電磁場(chǎng)等很多物理量，都可以利用量子技術(shù)實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典技術(shù)極限的精密測(cè)量。

科技日?qǐng)?bào)記者：量子精密測(cè)量包括了哪些應(yīng)用領(lǐng)域?

潘建偉：量子精密測(cè)量的主要應(yīng)用包括高精度光頻標(biāo)與時(shí)間頻率傳遞、量子陀螺儀、原子重力儀等量子導(dǎo)航技術(shù)，以及量子雷達(dá)、痕量原子示蹤、弱磁場(chǎng)探測(cè)等量子靈敏探測(cè)技術(shù)等。這些技術(shù)將在慣性導(dǎo)航、下一代時(shí)間基準(zhǔn)、隱身目標(biāo)識(shí)別、全球地形測(cè)繪、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等廣泛領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

我國(guó)量子精密測(cè)量領(lǐng)域的研究整體上相比發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距，但這個(gè)差距近年來(lái)正在迅速縮小，并且在部分方向上已經(jīng)與公開(kāi)報(bào)道的國(guó)際最高水平相當(dāng)。

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近年來(lái)，超表面材料與量子光學(xué)結(jié)合成為重要的研究方向，而邊緣探測(cè)是圖像處理過(guò)程中的一種常用手段。相較于傳統(tǒng)的數(shù)字邊緣提取方法，模擬邊緣提取方法具有更高速度和更低能耗，但此前在量子糾纏照明下的超表面器件邊緣探測(cè)還沒(méi)有出現(xiàn)相關(guān)研究。

本次研究過(guò)程中，科研人員用線偏振光照射超表面器件發(fā)生光自旋霍爾效應(yīng)，使兩個(gè)圓偏振的出射光場(chǎng)在空間發(fā)生微小的平移，從而導(dǎo)致出射光場(chǎng)的中間部分是線偏振、邊緣部分是圓偏振，隨后通過(guò)檢偏器可以提取待成像物體的邊緣輪廓。

那么，成像模式如何在正常模式和邊緣探測(cè)模式之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程切換?專(zhuān)家解釋說(shuō)，可利用偏振糾纏光源中的一個(gè)光子進(jìn)行照明，該光子含有兩種可能的偏振狀態(tài)，通過(guò)測(cè)量另外一個(gè)光子的狀態(tài)，用于照明的光子的偏振狀態(tài)也會(huì)隨之確定，因此通過(guò)遠(yuǎn)程切換糾纏光子對(duì)中的用于觸發(fā)的光子的偏振狀態(tài)，就能切換不同的成像模式。

專(zhuān)家表示，該成果是量子超表面研究在圖像邊緣探測(cè)的一次嘗試，在圖像加密和隱寫(xiě)上具有潛在應(yīng)用。另外，在光子照明匱乏的場(chǎng)景，如酶反應(yīng)跟蹤與生物活體細(xì)胞的觀察上，較高信噪比會(huì)表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。該工作將會(huì)促進(jìn)更多的關(guān)于量子光學(xué)和超表面材料結(jié)合的相關(guān)研究。