“參觀完展覽，我很震撼，量子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)如此廣泛了，很多成果得到了轉(zhuǎn)化。這讓我們從事量子前沿研究的科研人員有了更大信心。”在近日于合肥召開的2024量子科技和產(chǎn)業(yè)大會上，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）教授潘建偉如是說。
開幕式上，潘建偉作了題為《量子信息科技發(fā)展的現(xiàn)狀與展望》的主題報告。他表示：“我國在量子通信領(lǐng)域占據(jù)國際引領(lǐng)地位，在量子計算領(lǐng)域處于國際第一方陣，在量子精密測量領(lǐng)域部分方向處于國際領(lǐng)先或先進水平。”
與此同時，他特別希望與科研院所、高校、企業(yè)的優(yōu)勢力量一起，推進量子信息科技關(guān)鍵材料器件設(shè)備的國產(chǎn)化研發(fā)，提升自主創(chuàng)新體系化能力。
? ?應(yīng)運而生的量子信息科學(xué)
從倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、普朗克提出量子論、愛因斯坦提出光量子概念，到現(xiàn)代量子理論的誕生……量子力學(xué)至今發(fā)展已逾百年。
“從某種意義上講，無論是能源科學(xué)、信息科學(xué)，還是生命科學(xué)、材料科學(xué)，很大程度上都得益于量子力學(xué)的建立。”潘建偉表示，量子科技革命直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)的誕生。
比如，沒有量子力學(xué)，就不會有半導(dǎo)體，也不會有現(xiàn)代的通用計算機；沒有激光，就不會有光通信與互聯(lián)網(wǎng)；沒有原子鐘，就不會有衛(wèi)星定位系統(tǒng)。
然而，信息科技的進一步發(fā)展面臨兩大問題。一是信息安全傳輸問題。歷史經(jīng)驗告訴人們，依賴計算復(fù)雜度的經(jīng)典加密算法，原理上都能被破解。正如著名作家愛倫·坡在100多年前所寫的那樣，“以人類的才智無法構(gòu)造人類自身不可破解的密碼”。潘建偉說：“這說明人類不夠聰明，無法構(gòu)造出不能被破解的密碼，或者說人類太聰明，可以破譯所有密碼。”另一個問題是隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，人類對計算能力的需求巨大，但是現(xiàn)有的計算能力卻相當(dāng)有限。
“非常有意思的是，量子力學(xué)在百余年的發(fā)展過程中，已經(jīng)為解決這些重大問題做好了準(zhǔn)備。”潘建偉介紹，科學(xué)家在對量子疊加、量子糾纏這類現(xiàn)象進行實驗檢驗的過程中，逐漸發(fā)展出對量子狀態(tài)進行主動精確操縱的能力，從而催生出量子信息科學(xué)。量子信息科學(xué)主要包括3個方向——量子通信、量子計算與模擬以及量子精密測量。
潘建偉表示：“量子信息技術(shù)的目標(biāo)就是為構(gòu)筑‘量子互聯(lián)網(wǎng)’奠定技術(shù)基礎(chǔ)，利用量子感知獲取整個物理世界的各種信息，用量子通信進行信息的安全傳輸，用量子計算實現(xiàn)信息的高速處理，形成自主可控的未來信息技術(shù)體系。”
? ?我國量子信息科技發(fā)展現(xiàn)狀
在量子通信方面，截至2023年，我國已實現(xiàn)光纖點對點量子保密通信最遠(yuǎn)安全距離突破1000公里；利用可信中繼手段，我國先后建立了遠(yuǎn)距離光纖量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”、國家廣域量子保密通信骨干網(wǎng)。2016年8月，世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射，在國際上率先實現(xiàn)千公里級星地量子通信。“墨子號”結(jié)合“京滬干線”，構(gòu)建了全球首個天地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形。
在量子計算方面，國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)有3個里程碑階段，一是實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性，即量子計算機對特定問題的計算能力超過超級計算機；二是實現(xiàn)專用量子模擬機，用于解決若干超級計算機無法勝任的實用問題，同時突破量子糾錯技術(shù)；三是將量子比特的操縱精度提高到超越容錯閾值的基礎(chǔ)上，相干操縱至少數(shù)百萬個量子比特，實現(xiàn)可編程的容錯通用量子計算機。
2020年，中國科大研究團隊設(shè)計和構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，這是國際上首個被嚴(yán)格證明具有“量子計算優(yōu)越性”的工作。2021年，113個光子的量子計算原型機“九章二號”誕生，處理速度比超級計算機快100億倍。2023年，255個光子的量子計算原型機“九章三號”面世，處理速度比超級計算機快億億倍。
“正在測試中的‘九章四號’已超過2000個光子，計算能力將更強。”潘建偉透露。
此外，中國科大研究團隊先后構(gòu)建了62個比特的“祖沖之號”超導(dǎo)量子計算原型機、66個比特的“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計算原型機，使我國成為目前唯一在兩種物理體系上都實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”的國家。
12月17日，潘建偉團隊構(gòu)建的“祖沖之三號”超導(dǎo)量子計算處理器公布在arxiv上。“祖沖之三號”處理隨機線性采樣的速度可超過目前最快的超級計算機“前沿”1000萬億倍，超過谷歌今年10月發(fā)表于《自然》的最新進展——72比特“懸鈴木”處理器6個數(shù)量級，為目前公開發(fā)表的超導(dǎo)量子計算最強優(yōu)越性。
在量子糾錯方面，最近，谷歌利用105比特超導(dǎo)量子處理器“垂柳”，初步驗證了表面碼方案的可擴展性。據(jù)了解，“祖沖之三號”處理器各項性能指標(biāo)與谷歌“垂柳”處理器相當(dāng)，潘建偉團隊正基于“祖沖之三號”開展相關(guān)工作，將實現(xiàn)更大規(guī)模的表面碼糾錯。
“當(dāng)前的主要研究任務(wù)是研制專用量子計算模擬機，用于解決量子化學(xué)、高溫超導(dǎo)機理等重要科學(xué)問題。”潘建偉說，他們已經(jīng)在這一方向取得了重要進展，如2024年成功構(gòu)建了求解費米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器“天元”，首次展現(xiàn)了量子模擬在解決經(jīng)典計算機無法勝任的重要科學(xué)問題上的巨大優(yōu)勢。
“要真正實現(xiàn)通用容錯量子計算機，至少還需10余年甚至20年時間。”潘建偉說，要實現(xiàn)通用容錯量子計算機需要相干操縱至少上百萬量子比特，目前量子計算的研究重點之一就是突破量子糾錯技術(shù)，為量子比特的大規(guī)模集成和操縱鋪平道路。在量子精密測量方面，如在時間標(biāo)準(zhǔn)上，中國科大研究團隊扮演了重要角色，研制出70億年誤差不超過一秒的光鐘，使我國成為繼美國之后第二個達到該綜合指標(biāo)的國家。
? ?力爭在國際科技競爭中搶得先機
展望未來，潘建偉認(rèn)為，在量子通信方面，量子中繼連接的城際量子通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過10年左右的發(fā)展可走向?qū)嶋H應(yīng)用；基于衛(wèi)星平臺的遠(yuǎn)距離量子通信，將通過多顆微納量子衛(wèi)星構(gòu)成的“量子星座”以及具有更長過境時間的中高軌道衛(wèi)星，實現(xiàn)高效率的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建完整的天地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。
廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)為精密測量提供了全新平臺。“2027年前后，中高軌量子衛(wèi)星將具備發(fā)射條件，可以實現(xiàn)萬公里級量子糾纏分發(fā)。這將帶來有意思的應(yīng)用，例如可以構(gòu)建一種非常精確的望遠(yuǎn)鏡——量子增強的光學(xué)合成孔徑望遠(yuǎn)鏡，大幅提升空間分辨能力。”潘建偉說。
潘建偉希望，通過10至15年的努力，研制出精度達到10－21的高精度光鐘，這相當(dāng)于10萬億年誤差不超過1秒，它將為探測中低頻段的引力波、搜尋暗物質(zhì)等物理學(xué)基本原理的檢驗提供一種全新手段。
在量子計算方面，谷歌、IBM以及英國和法國政府都提出在2035年前后實現(xiàn)100萬個量子比特相干操縱的目標(biāo)。“我國正在編制的國家量子科技相關(guān)規(guī)劃中，也提出了同樣的目標(biāo)。”潘建偉說，未來3至5年，將實現(xiàn)數(shù)百至上千個量子比特的相干操縱，解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題；在未來10至15年，將在量子糾錯基礎(chǔ)上相干操縱上百萬量子比特，研制具備基本功能的容錯通用量子計算機，探索對密碼分析、大數(shù)據(jù)分析等的應(yīng)用。
“在量子信息科技領(lǐng)域，我國和美國等世界強國站在了同一起跑線上，它是國際科技競爭中我國最有條件、最有基礎(chǔ)、最有可能拔得頭籌和搶得先機的重要科技領(lǐng)域。”潘建偉表示，“在國家的戰(zhàn)略部署下，我們有信心、有決心、有能力保障我國在日趨激烈的量子信息科技國際競爭中保持和擴大領(lǐng)先優(yōu)勢，贏得戰(zhàn)略主動。”
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