本報記者 陳婉婉
我國建成地球上最大、最先進的量子密鑰分發網絡。中國科學技術大學1月7日宣布，中國科研團隊成功實現了跨越4600公裡的星地量子密鑰分發，我國構建的天地一體化廣域量子通信網雛形初現。
從2001年中國科學技術大學組建起國內首個量子實驗室，到建立「量子計算優越性」裡程碑、推動構建全球首個星地量子通信網，該校潘建偉院士團隊見證了我國量子信息的20年發展之路。
「在中國建一個世界領先的量子實驗室」
進入21世紀以來，量子信息科技蓬勃發展，它可以在提高運算速度、確保信息安全、提升測量精度等方面突破經典的技術極限。2001年，已在量子信息方面取得國際成就的潘建偉，帶著「在中國建一個世界領先的量子實驗室」的決心從奧地利回國，在中國科學技術大學組建實驗室。
實際上，在這之前，國內科學家對量子信息發展就已經開始行動。為了國內能夠迅速跟上量子信息這一新興領域的發展步伐，從1997年開始，潘建偉每年都利用假期回到中科大進行學術交流，通過各種渠道和國內科學家們一起為我國量子信息領域的發展提出建議，並帶動一批研究人員進入這一領域。1998年6月，在中科大近代物理系的支持下，張永德教授和郭光燦教授牽頭髮起了我國第一次關於量子信息的香山會議，標誌著我國的量子信息研究拉開序幕，中科大成為我國最早開始量子信息研究的高校。
量子信息研究在世界發達國家發展很快，但在國內基礎非常薄弱。為能夠更快地前進，中科大量子團隊與國際上的先進團隊保持密切聯繫，虛心學習。通過幾年的積累，2003年團隊在《物理評論快報》上一口氣發表了7篇論文。2004年，量子團隊實驗室進入合肥微尺度物質科學國家實驗室（籌），一批優秀的年輕人才在這裡得到鍛鍊和培養、脫穎而出。同年，團隊在國際上首次實現五光子糾纏及終端開放的量子隱形傳態，成果發表在《自然》雜誌上，這也是該雜誌刊發的首篇國內量子信息研究領域論文，這表明我國量子研究在多光子糾纏操縱方面已經一躍而至國際領先水平。
為了實現可升級的量子信息處理，2003年，潘建偉來到德國海德堡大學物理所，以瑪麗·居裡講席教授的身份從國內招收研究生和博士後，為國內培養冷原子量子存儲和超冷原子量子調控方面的研究力量。在他的建議下，實驗室的優秀畢業生還分散到德國、英國、美國、瑞士、奧地利等國去學習各種相關先進技術。
2008年，潘建偉辭去海德堡大學的職位，同時將實驗裝置陸續搬遷回中科大。2009年60周年國慶之際，受邀在人民大會堂觀看《復興之路》的潘建偉心情十分激動，現場給在國外的學生們群發了一條簡訊：「我正在人民大會堂看《復興之路》，感觸良多！甚望你能努力學習提升自己，早日學成歸國為民族復興、科技強國盡力！」
優秀人才相繼聚集到了中科大量子團隊，一支在量子信息所需主要關鍵技術方面都具有較強實力並且優勢互補的團隊一步一步組建完備，潘建偉腦中的量子築夢計劃也開始一步步走向現實。
「在國內一定能夠擁有比國外更廣闊的事業發展空間」
量子通信提供了原理上無條件安全的通信方式，可以大幅提升現有信息系統的安全性。它的發展目標是構建全球範圍的廣域量子通信網絡體系。通過光纖實現城域量子通信網絡、通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接、通過衛星平臺的中轉實現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網絡的發展路線。
沿著這一路線，經過多年的努力，潘建偉團隊將城域光纖量子通信技術發展到了初步滿足實用化要求的水平，自主研製的量子通信裝備已經為國家重要活動提供了信息安全保障。為了構建遠距離量子通信技術體系，2016年底，國際上首條遠距離光纖量子保密通信骨幹網「京滬幹線」在合肥宣告建成，它在金融、政務、電力等領域開展量子保密通信的技術驗證與應用示範，為核心器件的自主研發、相關應用標準的制定和未來規模化的應用起到了良好的推動作用。
遠距離光纖量子通信的最終解決方案是量子中繼，其核心技術是高性能的量子存儲。「通過與海德堡大學合作研究的技術積累，我們實現的冷原子量子儲存已經在原理上可以滿足基於量子中繼的500公裡光纖量子通信的需求。」潘建偉說。
通過衛星平臺的中轉來實現遙遠地點之間的量子通信，是構建全球化量子通信網絡更加有效的方式。在中科院的前瞻性支持和統籌組織下，通過與中科院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院和光電技術研究所等單位多年的協同攻關，潘建偉團隊突破了一系列星地自由空間量子通信的關鍵技術。
2011年，中科院迅速決策，「量子科學實驗衛星」先導專項正式立項。差不多同一時期，歐洲相關團隊也向歐空局提出開展衛星量子通信研究的項目申請。由於我國前期實驗基礎紮實、技術積累雄厚、決策行動迅速，使得我國自由空間量子通信的研究大幅領先歐美相關國家。「後來國外的同事向我們請求，希望加入到我國的項目中開展國際合作。這讓我深刻地體會到，隨著國家經濟實力的增強和對科技創新日益增長的重視，我們在國內一定能夠擁有比國外更廣闊的事業發展空間。」潘建偉感慨道。
2016年8月16日，「墨子號」量子衛星成功發射。「墨子號」量子衛星在軌運行半年後，圓滿完成了全部既定科學目標，充分驗證了通過衛星平臺實現遠距離量子通信的可行性。結合「墨子號」量子衛星和「京滬幹線」，我國構建了國際上首個天地一體的廣域量子通信網絡雛形，為將來的規模化應用奠定了堅實的科學與技術基礎。
潘建偉表示，量子通信具有明顯的應用導向，從實驗室走向實際應用的過程中，需要經歷基礎研究、關鍵技術研發、工程化集成與驗證等階段，然後才能實現規模化商業應用。「京滬幹線」和「墨子號」量子衛星等，都是基於我國前期十餘年的基礎和應用研究成果而進行的工程化集成與驗證項目，穩步推進了量子通信的現實應用。也正是由於我國率先開展了規模適度的量子通信技術驗證與應用示範，推動了我國在量子通信領域佔據了國際領先地位。
「向更遠的裡程碑繼續努力」
量子計算具有強大的並行計算和模擬能力，為人工智慧、密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供了解決方案，並可揭示量子相變、高溫超導、量子霍爾效應等複雜物理機制。量子計算的計算能力隨著可操縱的量子比特數呈指數增長，因此量子計算研究的核心任務是量子比特的規模化相干操縱。根據相干操縱量子比特的規模，國際學術界公認量子計算有幾個階段性的裡程碑。
第一個裡程碑是實現「量子計算優越性」，即量子計算機對特定問題（如玻色取樣、組合優化等）的計算能力超越傳統超級計算機，達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。得益於在多光子糾纏操縱方面長期積累的優勢，2017年潘建偉團隊實現了5個輸入光子的玻色取樣，首次超越了早期的經典計算機ENIAC和TRADIC。在進一步自主研製高亮度高品質的量子光源、開發高頻高精度鎖相技術的基礎上，2020年底該團隊又實現了76個光子的量子計算原型機「九章」。根據現有最優的經典算法，「九章」處理更為複雜的「高斯玻色取樣」問題的速度，比目前最快的超級計算機「富嶽」快一百萬億倍，等效速度比谷歌的量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍。這一成果使得我國成功達到了「量子計算優越性」的裡程碑。同時，據潘建偉透露，中科大團隊在超導量子計算方面也已經有了較好的進展，有望在近期實現超導體系的「量子計算優越性」。
第二個裡程碑是實現真正「有用」的專用量子模擬機，能夠解決一些經典計算機難以求解的有重大應用價值的問題。這些問題在強關聯體系中處處存在，每一個問題的解決都將是物理學的重大突破。達到這一裡程碑需要相干操縱數百到上千個量子比特。由於相互作用可精確操縱的優勢，超冷原子是最有可能率先實現專用量子模擬機的物理體系之一。經過充分的積累，近年來潘建偉團隊在超冷原子量子模擬方向上開始不斷產生優秀的成果，包括首次實現二維自旋-軌道耦合的人工製備、首次實現71個格點的量子模擬器並準確模擬了一維格點體系的Schwinger模型、首次觀測到超低溫度下基態分子與原子之間的散射共振等。這些工作為實現規模化的超冷原子量子計算與模擬奠定了基礎。
量子計算的終極夢想則是第三個裡程碑：實現可編程的通用量子計算機，即相干操縱至少數百萬個量子比特，同時將量子比特的操縱精度提高到超越容錯閾值（>99.9%），能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智慧等方面發揮巨大作用。由於技術上的巨大挑戰，何時實現通用量子計算機尚不明確，學術界一般認為還需要15至20年甚至更長的時間。「20年磨一劍，我們非常有幸推動了我國的量子計算研究牢固確立了國際第一方陣的地位。」潘建偉說，他將帶領團隊朝向更遠的裡程碑繼續努力，爭取形成更大的優勢。
《安徽日報》（2021年1月7日頭版）
https://szb.ahnews.com.cn/ahrb/layout/202101/07/node_01.html#c203348