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科普文章

潘建伟:百年量子,量子信息方兴未艾
发布时间:2024-04-15    550   
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4月14日是个特别的日子,人们将打开量子世界的钥匙——普朗克常数,经过四舍五入保留小数点后两位的数值定为了“世界量子日”的日期。

继昨天墨子沙龙发表的2004年诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克撰写的量子物理前沿科普文章《真实的虚拟:量子想象的前沿》后,今天我们非常荣幸的邀请到了潘建伟院士撰写了这篇文章,从亲历者的角度,介绍量子信息学及其发展趋势。



01

第二次量子革命


上世纪初建立的量子力学是人类历史上最伟大的科学革命之一。百年来,随着量子力学的建立而催生的第一次量子革命,带来了原子能、半导体、激光、核磁共振、超导和全球卫星定位系统等重大技术的发明,从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌。也许,它对于公众来说非常陌生,但是它其实已经深深融入了现代人的生活。


自上世纪九十年代以来,量子调控技术取得了巨大的进步,人们可以深入微观世界内部,操作微观粒子的量子状态。于是,以量子信息科学为代表的量子科技迅猛发展,这就是第二次量子革命的兴起。


很荣幸的是,我的学习和科研经历,让我作为亲历者,见证和参与了第二次量子革命的兴起和发展。


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▲法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国物理学家约翰·克劳泽(John F. Clauser)和奥地利物理学家安东·蔡林格(Anton Zeilinger)


2022年诺贝尔物理学奖被授予法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国物理学家约翰·克劳泽(John F. Clauser)和奥地利物理学家安东·蔡林格(Anton Zeilinger),以表彰他们在“用纠缠光子进行实验、确立贝尔不等式的违背以及开创量子信息科学”的卓越成就。值得指出的是,我国近年来在量子科技领域取得的一系列重要突破,为推动该领域的发展进而得到国际广泛重视做出了突出贡献,在2022年诺贝尔物理学奖发布现场和“科学背景介绍”中都着重介绍了“墨子号”量子卫星等由我国学者完成的重要成果。


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▲2022年诺贝尔物理学奖发布现场


事实上,2022年诺贝尔物理学奖的故事就是第二次量子革命兴起和发展的缩影——在开展贝尔不等式实验检验等量子物理基础研究的过程中,人们逐步掌握了对于光子、原子等微观粒子的量子行为进行主动精确操纵的能力,进而可以利用量子状态对信息进行编码、传输和处理,催生了量子信息科学。


三位获奖人——阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格是第二次量子革命的重要先驱,他们开展了早期的量子力学非定域性检验,成功制备了多粒子纠缠态,发展的多光子干涉度量学推动了光量子信息的处理等量子信息实验研究。安东·蔡林格是我的博士生导师,在他的研究团队里,我非常幸运参与了开创量子信息实验研究的历史过程。


回国后,我和我的同事、学生们独立开展量子信息科学的研究。我国科学家们在量子信息领域的重大成果,尤其是“墨子号”量子卫星的成功实施,推动了该领域得到国际学术界、产业界以及政府的高度重视。


02

什么是量子信息科学


量子信息科学包括量子通信、量子计算、量子精密测量三方面应用,在保障信息传输安全、提高运算速度、提升测量精度等方面,可以突破经典技术的瓶颈。量子信息科学将成为信息、能源、材料和生命等领域重大技术创新的源泉,为保障国家安全和支撑国民经济高质量发展提供核心战略力量。


我很高兴地看到,以量子信息科学为代表的量子科技正在不断形成新的科学前沿,激发革命性的科技创新,孕育对人类社会产生巨大影响的颠覆性技术。该领域的迅猛发展标志着第二次量子革命的兴起


简单来说,量子信息科学三个方面的研究和应用分别有着各自的使命和蓝图:


(一)量子通信:量子通信是利用量子比特作为信息载体来进行信息交互的通信技术。量子通信有两种最典型的应用,分别是量子密钥分发和量子隐形传态。量子密钥分发是指利用量子态来加载信息,通过一定的协议在遥远地点的通信双方共享密钥。量子力学基本原理保证了密钥的不可窃听,从而可在原理上实现无条件安全的量子保密通信。量子隐形传态是指利用量子纠缠来直接传输微观粒子的量子状态(即量子信息),而不用传输这个微观粒子本身。量子隐形传态可以连接量子信息处理单元来构建量子网络,同时也是远距离量子密钥分发所需的量子中继的重要环节,因此国际学术界将量子密钥分发和量子隐形传态统称为量子通信。量子密钥分发是最先走向实用化和产业化的量子信息技术。


量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系,具体发展路线为:利用光纤构建城域量子通信网络、通过中继器链接邻近两个城市的城域量子通信网络、通过卫星平台的中转链接遥远区域之间的量子通信网络。


(二)量子计算:量子计算是基于量子力学的叠加原理所展开的全新计算模式,它提供了一种从根本上实现并行计算的思路,具备极大超越经典计算机运算能力的潜力,可为人工智能、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解决方案。量子计算机一旦研制成功,将对基于计算复杂度的经典信息安全体系带来巨大冲击;而值得一提的是,量子保密通信的安全性基于物理学原理,与计算复杂度无关,即使是量子计算机也无法破解。


量子计算研究的核心任务是实现多量子比特的相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模,国际学术界设定了如下三个“里程碑”:第一步是实现“量子计算优越性”,即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机,达到这一里程碑需要约50个量子比特的相干操纵。第二步是实现专用量子模拟机,应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题,为特定领域提供初步算力服务。达到这一里程碑需要实现千量子比特的相干操纵和高精度量子逻辑门,这也是当前的主要研究任务。第三步是在量子纠错的辅助下实现可编程通用量子计算机,即相干操纵至少需达到数百万个量子比特,能在密码分析、新材料设计、气象预报、生物制药等方面发挥巨大作用。由于技术上的难度,国际学术界一般认为实现通用量子计算机仍需10至15年甚至更长时间。


(三)量子精密测量:量子精密测量是利用量子状态对环境的高度敏感,可以对时间、位置、加速度、电磁场等物理量实现超越经典技术极限的精密测量。量子精密测量的主要应用包括高精度光频标与时间频率传递、量子陀螺仪、原子重力仪等量子导航技术,量子雷达、痕量原子示踪、弱磁场探测等量子灵敏探测技术等。这些技术的应用价值已比较明朗,将在惯性导航、下一代时间基准、隐身目标识别、全球地形测绘、医学检验、物理学基本问题等广泛领域发挥重要作用。2018年第26届国际计量大会正式通过决议,从2019年开始实施新的国际单位定义,从实物计量标准转向量子计量标准,这标志着精密测量开始进入量子时代。


03

我国量子信息科技成就斐然


经过20余年的努力,我国量子科技领域整体上已经实现了从跟踪、并跑到部分领跑的飞跃。总体而言,我国在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位,在量子计算方面处于国际第一方阵,在量子精密测量部分方向上处于国际领先或先进水平。


在量子通信领域,我国的城域城际量子通信网络技术已初步满足实用化要求,总里程超过10000公里的国家量子骨干网已全线贯通,覆盖京津冀、长三角、粤港澳、成渝等重要区域。在卫星量子通信方面,我国研制并成功发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,在国际上率先实现了星地量子通信。随后,我国发射了世界首颗量子微纳卫星“济南一号”,为构建低成本、实用化的量子星座奠定基础。卫星地面接收站的重量也已由十几吨降到100公斤左右,可支持移动通信。


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▲未来天地一体量子通信网络


在量子计算领域,我国目前是唯一在光学和超导两种物理体系都达到“量子计算优越性”里程碑的国家,牢固确立了国际量子计算研究第一方阵的地位。我国构建的76光子光量子计算原型机“九章”,在国际上首次在光量子体系实现“量子计算优越性”里程碑。最新的九章三号实现了255光子的相干操控,反超加拿大量子计算公司Xanadu,再度成为光量子计算的世界第一。在超导量子体系,我国先后构建了62比特超导量子计算原型机祖冲之号和66比特的祖冲之二号,在超导量子体系实现“量子计算优越性”


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▲九章三号(左图)与祖冲之二号(右图)


在量子精密测量领域,我国首次在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验,时间传递稳定度达到飞秒量级,频率传递万秒稳定度优于4×10-19,达到国际最优水平;我国研制的高精度光钟,其稳定度和不确定度均优于5×10-18(相当于70亿年的误差不超过一秒),达到国际先进水平。在量子导航方面,我国研制成功的原子自旋陀螺原理样机,指标与国外公开报道的最高指标相当;可移动原子重力仪精度已接近国际一流水平,小型移动式冷原子重力仪达到了目前国际上野外连续重力观测的最好水平。在单量子灵敏探测方向,我国研究人员在量子激光雷达、痕量原子示踪、单分子表征、磁场精密探测等若干方向上达到国际领先或先进水平。


04

构造让量子信息科技健康发展的良性环境


当前,量子信息正在逐步从实验室走向现实应用,其战略价值日益显现,这使其进一步成为政府、科研机构和产业资本共同重视、大力投入的热点,同时,它对社会发展的影响也引起了公众的普遍关心。随着国家的重视和广大科技工作者的普及,“量子”时常成为网络热词。


对于这样的情况,我们需要辩证地看,既要保持乐观,又要谨慎对待。


乐观的是,得到公众的关注,是一个新兴领域蓬勃发展的前提条件。但严谨地看,量子信息的产业转化整体上仍然处于早期阶段,各方向发展阶段并不平衡,实用化程度不一,需要支持和关注的重点各有不同。


例如,量子保密通信是最先进入实用化阶段、发展最为成熟的量子信息技术,当前正是加强应用推广,推动构建我国自主的信息安全体系、形成比较优势的良好时机。


又如量子计算,目前仍处于科学探索的阶段,所有量子计算原型机的硬件性能离解决有价值的实际问题都还存在相当的差距。当前和未来一段时期内,量子计算研究的核心任务集中在物理实现方面,需要解决量子比特的规模和量子纠错两大难题,这是学术界的普遍共识。然而,国内外一些企业和研究人员,却对量子计算的应用进行不切实际的夸大宣传,并借以从资本市场套利。虚假宣传和炒作在短期内引发了对于量子计算产业化的过度关注和不切实际的期待,从长期看,则会导致信任危机、政府和社会投入断崖式下跌、人才队伍涣散等一系列恶果,给该领域的发展造成严重冲击。


此外,市场上不时出现的诸如“量子挂坠”、“量子鞋垫”、“量子能量水”之类,则纯粹是打着“量子”旗号的虚假产品,与量子科技毫无关系。对于这类虚假产品,需要予以严厉杜绝。


对于前沿领域来说,其创新性必然意味着某种信息壁垒,自然也就为炒作留下了空间。正因如此,专业人士首先有责任开展严谨、必要的科技传播,尽量消除信息壁垒,帮助公众构建对量子科技健康、合理的期待。政府机构和公众也应当更多地依赖和信任科学共同体的共识,避免对于“黑科技”的过度担忧。只有在各方的共同努力下,才能建立良性的舆论场和互动关系,促进前沿领域的健康发展。只有健康、稳定的土壤,才能结出饱满丰硕的果实。