·2020年，76個(gè)光子的量子估算靶機(jī)“九章”在求解高斯玻色采樣的特定問題上，速率是當(dāng)時(shí)最快的精典超級(jí)計(jì)算機(jī)的100萬億倍。近日潘建偉團(tuán)隊(duì)早已實(shí)現(xiàn)了255個(gè)光子的九章3號(hào)估算截?fù)魴C(jī)，它針對(duì)特定問題的求解能力早已比精典的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000萬億倍。
·當(dāng)前我們正在研發(fā)第一顆中高軌量子衛(wèi)星，計(jì)劃2026年前后發(fā)射。同時(shí)，潘建偉稱計(jì)劃在中高軌衛(wèi)星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的穩(wěn)定度將達(dá)到10的-19次方，相當(dāng)于時(shí)鐘約一千億年的偏差不超過1秒。
中國(guó)科大學(xué)教授、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院常務(wù)副院長(zhǎng)潘建偉視頻講演。
“在2020年我們實(shí)現(xiàn)了76個(gè)光子的量子估算靶機(jī)‘九章’，‘九章’在求解高斯玻色采樣的特定問題上，速率是當(dāng)時(shí)最快的精典超級(jí)計(jì)算機(jī)的100萬億倍。以后我們的系統(tǒng)進(jìn)行了不斷的升級(jí)，近日我們?cè)缫褜?shí)現(xiàn)了255個(gè)光子的九章3號(hào)估算靶機(jī)，它針對(duì)特定問題的求解能力早已比精典的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000萬億倍。”5月10日，在香港舉行的第三屆國(guó)際科技創(chuàng)新博覽會(huì)（Expo2023）上，中國(guó)科大學(xué)教授、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院常務(wù)副院長(zhǎng)潘建偉介紹了目前量子科技方面的工作和對(duì)此領(lǐng)域的未來展望。
潘建偉牽頭研發(fā)了國(guó)際上首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，建成了國(guó)際上首列量子保密通訊骨干網(wǎng)“京滬干線”，并建立了首個(gè)空地一體的廣域量子保密通訊網(wǎng)路雛型。
在會(huì)上，潘建偉透漏，“當(dāng)前我們正在研發(fā)第一顆中高軌量子衛(wèi)星，計(jì)劃2026年前后發(fā)射。不僅要實(shí)現(xiàn)量子秘鑰分發(fā)之外，這也為中高軌衛(wèi)星量子精密檢測(cè)提供了新的平臺(tái)。”同時(shí)，潘建偉稱計(jì)劃在中高軌衛(wèi)星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的精度達(dá)到E-19（10的負(fù)19次方）水平，相當(dāng)于時(shí)鐘約一千億年的偏差不超過1秒。
以下為澎湃科技（）整理的潘建偉在Expo2023上的講演實(shí)錄：
2022年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了3位量子科技領(lǐng)域的先驅(qū)，以嘉獎(jiǎng)她們借助糾纏光子實(shí)現(xiàn)了貝爾不方程的遵守（意味著糾纏粒子對(duì)確實(shí)是不可分離的整體，難以賦于其中每位粒子單獨(dú)的局域性質(zhì)），并為此開創(chuàng)量子信息科學(xué)。十分高興的是，在2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)的新聞發(fā)布會(huì)和科學(xué)背景介紹中，都對(duì)中國(guó)科學(xué)家的相關(guān)工作進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，包括“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地的秘鑰分發(fā)、地星量子隱型傳態(tài)以及我們近來的設(shè)備無關(guān)的量子秘鑰分發(fā)的工作。
為了易于你們理解量子通訊干線，首先請(qǐng)容許我對(duì)量子疊加原理進(jìn)行簡(jiǎn)略介紹。你們都曉得，在我們的日常生活中，一只貓?jiān)谀骋粋€(gè)確定的時(shí)刻只能處于活或則死狀態(tài)上面的某一個(gè)。但是依照量子疊加原理，在量子風(fēng)波當(dāng)中一只貓可以同時(shí)處在兩種狀態(tài)。當(dāng)把量子疊加原理拓展到多粒子體系，我們就可以得到量子糾纏的概念。諸如在量子世界當(dāng)中的兩只貓，可以同時(shí)處于活和死狀態(tài)的相關(guān)疊加。這些狀態(tài)如同兩個(gè)色子一樣，不論它們相距多么遙遠(yuǎn)，其中一個(gè)擲出的點(diǎn)數(shù)和另外一個(gè)一定是一樣的。愛因斯坦將量子糾纏的這些現(xiàn)象稱為遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的奇特的互動(dòng)。
在數(shù)學(xué)上任何兩基態(tài)的系統(tǒng)（富含兩個(gè)基態(tài)的量子系統(tǒng)）都可以拿來建立一個(gè)量子比特，例如我們可以用一個(gè)光子水平和豎直兩種極化狀態(tài)來編碼一個(gè)量子比特的信息。對(duì)于兩光子的量子系統(tǒng)就可以處在四個(gè)最大的極化糾纏之中，再通過貝爾不方程來檢驗(yàn)量子熱學(xué)被定義的過程，化學(xué)學(xué)家從中發(fā)展出可對(duì)量子系統(tǒng)進(jìn)列寬精度調(diào)控的量子技術(shù)，進(jìn)而造成了量子信息科學(xué)的誕生。
量子信息科學(xué)主要包括兩方面的應(yīng)用：第一，借助量子通信我們可以提供一種原理上是無條件安全的通信方法。第二，借助量子估算我們可以大幅度提升運(yùn)算。
量子秘鑰分發(fā)是最知名的量子通信合同，可以實(shí)現(xiàn)基于單光子的量子秘鑰分發(fā)（Key，QKD），因而在兩個(gè)用戶之間形成安全的秘鑰，再結(jié)合一次一密，就可以實(shí)現(xiàn)無條件安全的信息傳輸。同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)基于量子糾纏的量子秘鑰分發(fā)。
在量子估算當(dāng)中，人們是借助量子比特來編碼信息，借助量子疊加原理實(shí)現(xiàn)超快的并行估算，因而在原理上可以達(dá)到指數(shù)級(jí)的加速。大數(shù)分解算法是目前最知名的量子算法，例如要分解一個(gè)300位的自然數(shù)，借助每秒運(yùn)算萬億次的精典計(jì)算機(jī)須要15萬年，而用同樣運(yùn)算速率的量子計(jì)算機(jī)則只須要一秒鐘。因而量子計(jì)算機(jī)可以應(yīng)用在破解精典密碼、天氣預(yù)報(bào)、金融剖析和抗生素設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)廣義的量子通信網(wǎng)路量子通訊干線，我們可以借助光纖來建立城域量子通信，借助量子中繼來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)城市之間的城際量子通信，在量子衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)一步的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信。
我國(guó)科學(xué)家經(jīng)過近20年的努力，成功研發(fā)了世界上首顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號(hào)”并在2016年8月成功發(fā)射。到了2017年9月，遠(yuǎn)距離光纖量子通信骨干網(wǎng)——“京滬干線”正式開通。結(jié)合“墨子號(hào)”和“京滬干線”，我們?cè)趶V域量子通信網(wǎng)路雛型的技術(shù)上早已初步驗(yàn)證天地一體化的量子網(wǎng)路在原理上可行。而在量子估算方面，實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算機(jī)還須要長(zhǎng)時(shí)間的努力。
為了確保該領(lǐng)域的健康發(fā)展，學(xué)術(shù)界設(shè)定了三個(gè)發(fā)展階段。
第一個(gè)階段是要實(shí)現(xiàn)量子估算的優(yōu)越性，量子估算系統(tǒng)對(duì)個(gè)別特定問題的求解速率早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了精典超級(jí)計(jì)算機(jī)，凸顯出量子估算本身的優(yōu)越。第二階段是建立專用的量子模擬器，拿來求解一些精典計(jì)算機(jī)無法勝任的特定復(fù)雜問題，例如低溫超導(dǎo)機(jī)制等。最后第三階段的目標(biāo)是希望在量子糾纏的幫助下，實(shí)現(xiàn)通用的可編程量子估算。
在2020年我們實(shí)現(xiàn)了76個(gè)光子的量子估算靶機(jī)“九章”。“九章”在求解高斯玻色采樣的特定問題上，速率是當(dāng)時(shí)最快的精典超級(jí)計(jì)算機(jī)的10萬倍。以后我們的系統(tǒng)進(jìn)行了不斷的升級(jí)，近日我們?cè)缫褜?shí)現(xiàn)了255個(gè)光子的“九章”3號(hào)光量的估算截?fù)魴C(jī)，它針對(duì)特定問題的求解能力早已比精典的超級(jí)計(jì)算機(jī)快1000萬億倍。
為了在未來實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信，我們須要克服目前衛(wèi)星量子通信所面臨的困局。一是單顆的低軌衛(wèi)星沒辦法直接覆蓋全球；二是目前的衛(wèi)星還只能在低區(qū)工作，而相應(yīng)的解決方案是通過發(fā)射多顆低軌衛(wèi)星來構(gòu)成一個(gè)高效率的衛(wèi)星網(wǎng)路。也就是說在所謂量子天秤的基礎(chǔ)上，我們可以發(fā)射具有更長(zhǎng)過境時(shí)間的中高軌衛(wèi)星，借此來分發(fā)更多的秘鑰。
而這種方案實(shí)現(xiàn)的一個(gè)根本前提，就是衛(wèi)星能在太陽幅射的背景下工作。在2017年的時(shí)侯，我們?cè)缫褜?shí)現(xiàn)在日光背景下的遠(yuǎn)距離自由空間量子通訊的地面實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了量子通信是全天可行的，實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化、低成本和輕量化的微納量子衛(wèi)星。
國(guó)際上首顆微納量子衛(wèi)星“濟(jì)南一號(hào)”已經(jīng)在2022年7月發(fā)射，它荷載的重量只有20公斤，與“墨子號(hào)”相比已然大幅度增加。當(dāng)前我們正在研發(fā)第一顆中高軌量子衛(wèi)星，計(jì)劃2026年前后發(fā)射。不僅要實(shí)現(xiàn)量子秘鑰分發(fā)之外，這也為中高軌衛(wèi)星量子精密檢測(cè)提供了新的平臺(tái)。
我們借助中高軌量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)萬公里量級(jí)的量子糾纏分發(fā)，在未來將利用全球化的糾纏分發(fā)將多個(gè)原子糾纏上去，因而大幅度提升原子鐘的穩(wěn)定。與此同時(shí)，我們計(jì)劃在中高軌衛(wèi)星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的精度達(dá)到E-19（10的負(fù)19次方）水平，相當(dāng)于時(shí)鐘約一千億年的偏差不超過1秒。
借助高精度的光鐘和高精度的光頻標(biāo)的傳輸，就可以實(shí)現(xiàn)全球化的高精度提高，相比當(dāng)前微波損壞的確切度可以提升4個(gè)數(shù)目級(jí)，為新一代的秒定義提供了相應(yīng)的技術(shù)支撐。在外太空因?yàn)榇艌?chǎng)和月球引力的噪音非常微弱，所以在原則上光鐘的穩(wěn)定度可以達(dá)到10的-21次方。
借助超高精度的光鐘和超高精度的光頻傳輸，我們可以在外太空建立一個(gè)干涉儀，借助干涉儀舉辦一些數(shù)學(xué)學(xué)基本原理的檢驗(yàn)，包括暗物質(zhì)的偵測(cè)和引力波的偵測(cè)等等。
在量子估算領(lǐng)域，我們希望在未來的5年可以達(dá)到對(duì)數(shù)百個(gè)量子比特的相關(guān)操縱，打造專用的量子模擬器能幫助我們理解一些復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)規(guī)律，如低溫超導(dǎo)的機(jī)理，量子霍爾效應(yīng)等等。通過10至15年的努力，我們希望還能操縱上百萬個(gè)量子比特，并實(shí)現(xiàn)量子糾纏，初步建立可編程的通用量子計(jì)算機(jī)。
更正：本文稍早之前的版本，將“光鐘的精度達(dá)到E-19（10的負(fù)19次方）水平，相當(dāng)于時(shí)鐘約一千億年的偏差不超過1秒”誤寫成“一年的偏差不超過1秒”，特此更正，并向讀者致以敬意。
