看懂量子科技，看看國內最大的量子大會院士們說了什麼？

10月18日，在頗有歷史背景的浙江嘉興，舉辦了一場頂級科學交流大會——《2020量子信息技術學術交流大會》。本次大會由中國電子學會、中國科學技術大學、南方科技大學為主辦方，更是受到了嘉興市委及人民政府、嘉興市科學技術協會、深圳量子科學與工程研究院等多個單位的承辦支持。

大會以「先手棋引領量子信息新時代，正能量孕育科技生態良循環」為主題，正值國家主席宣布全國推動量子科技發展，筆者有幸參與了此次大會的開幕與中間諸多分會。

圖1｜2020量子信息技術學術交流大會現場（來源：電子學會）

會議分為上午場和下午場。上午場是大會特邀報告，由俞大鵬院士、李天初院士、陸軍院士、翁文康教授和張強教授做主題演講，下午則進行專業分會場的專家報告（由於分會場專業度高，這裡不做概括總結，分會場主題見文章末尾處）。

以下為上午場各院士和教授們演講報告的內容部分梗概：

1、《量子科技：機遇與挑戰》 俞大鵬院士

圖2｜俞大鵬院士致歡迎詞（來源：國盾量子）

俞大鵬院士就「量子科技：機遇與挑戰」做了詳細的解讀，提出量子領域火熱的根本原因是需求驅動，而量子計算可能會為我們的大規模無序信息，提供一種終極解決方案。

即便是大環境不容樂觀的條件下，如美國量子公司的「禁運」政策，對於我國發展量子科技實際上有雙向促進作用，這是挑戰更是機遇。

俞大鵬院士對業界提出了簡明思路是，讓專業的人做專業的事情，在工作中追求極致，把科學、技術、工程做成「藝術品」。這也是當前科技競爭背景下，高質發展的大前提。

2、《原子鐘和原子時》 李天初院士

李天初院士的報告內容分為三個部分。

第一部分內容為天文時和機械鐘。主要介紹了天文時的應用，是依靠機械鐘來進行守時的，當時可達到了三年差一秒的準確率。

第二部分介紹了原子鐘和原子時。隨著量子物理的發展，原子鐘成了量子應用成功的典範，而且還在持續發展中。

追溯到1967年，第十三屆國際計量大會給出了時間單位秒的新定義「一秒是133Cs原子基態超精細能級躍遷周期的9192631770倍」。與天文表不同的是，原子表以秒來定義，完全基於物理領域。

在1950年代，原子鐘許多相關技術也取得了重大突破，包括微波振蕩器、離子阱、填充氣體譜線壓制技術等，由此誕生了主動鍾、離子阱鍾、泡式原子鐘等。

1985年國際計量局正式開始運行國際原子時，原子時的運行獲得了極大的成功，不僅準確，而且可靠，且未曾出現過任何故障。

由此，1912年成立的國際時間局，自1988年起改組，它的業務活動分別由國際地球自轉服務和國際計量局承擔，這成為量子效應應用非常成功的一個案例。

圖3 ｜原子鐘（來源：usa.watchpro）

李天初院士同時為大家科普了現在的世界時間從何而來。簡單來說，目前全世界擁有80多個守時實驗室，中國佔其中的四家，國際計量局根據80多個守時實驗室提供的數據進行加權平均得到「自由原子時」。

而經過修正過後的自由原子時成為「國際原子時」，比自由原子時更加準確。但是與之前運用的天文時產生了時差，因為兩種時間尺度對秒的定義不一樣。

隨著時間的推移，需要我們「協調世界時」。當天文時與原子時之間時刻相差超過0.9秒時，就在世界時上加上或減去1秒（正閏秒或負閏秒），以儘量接近天文時，這就是「閏秒」。「閏秒」一般安排在年中或年末的最後時刻，即6月30日或12月31日的最後一分鐘。

圖4｜閏秒（來源：搜狐網）

目前，中國計量院用13臺氫原子鐘和7臺銫原子鐘向國際計量局報數，已成為對協調世界時貢獻最大的幾家機構之一。UTC(NIM)和UTC的偏差優於±5ns，處於國際先進水平。

第三部分引入了「光鍾」。飛速發展的光鍾準確度已經超越了原子鐘。光鐘有兩種研究的定位，第一是基礎研究中的物理研究，第二是計量型，首要目的是駕馭國際原子時。《科學》雜誌報導的研究成果表明，光鍾將比目前最好的時鐘精度提高100倍。

圖5｜光鍾（來源：阿儀網）

通過李院士的講解，我們深刻地體會到了量子物理對時鐘精度的巨大影響，從應用意義上來看，說人類步入量子應用的時代，有依據可尋。

3、《用科學體系工程方法開展量子計算機研製》 陸軍院士

陸軍院士提出了四個概念：科學、工程、科學工程和科學體系工程。而建立科學體系工程又包括建立理論體系、標準體系、產業體系和產品體系。

談及量子科技中的量子計算機，其科學體系工程的內涵在於，理論與實踐結合；認識世界與改造世界相結合；文件規定的與產品實現的結合來架構的科學體系工程。

為了成體系提升產業體系能力，陸軍院士和他的團隊需要從QDA、公共基準、工業母機和量子計算機測試系統出發，按照硬體、軟體、信息、能力的維度去展開，整體涵蓋量子計算機全產業鏈。

首先，大家要成產業體系的團結起來，為世界拿出中國的量子方案，這是公共基準。定義量子比特之後，要有工業母機，並能夠成百上千上億生產，不能只是在實驗室裡進行應用。最後才能開始測試系統，是否可以奠定可以重複上萬次上億次，良品率能達到99.999%的一個晶片系統成了關鍵。

4、《專用量子計算機的應用算法》 翁文康教授

在不久的將來，我們可以預期學術界和工業界在量子計算機的研發上將有持續的突破。

比如對50個量子比特以上的量子晶片，能夠達到非常高精度的調控技術，這種規模是我們過去的工具難以處理的。很有可能對於一些特定的計算任務，這些量子晶片能夠執行到一個程度，這個過程，是經典計算機無法有效模擬的。

可是，這些晶片的量子比特個數還是遠遠不足以實現教科書級的量子算法的。

當前一個重大的問題是，如何開發針對近期量子晶片的應用，去解決一些實際的科學或者工程問題。

翁文康教授和他的團隊把量子晶片作為一個附處理器，與經典的計算機配合起來使用，當有需要的時候，就把量子晶片調取出來，而且晶片不只有一個，可能同時並行的會有幾種晶片。

圖6｜華為雲（來源：華為）

當然，提到量子計算，就會提到量子算法，其中一個比較受關注的算法是VQE算法。這個算法目前來說受到了廣泛的關注，單篇文章的引用已快達到924個，而且上升趨勢明顯。這個方法展現了未來的一個藍圖，而且有可能會成為第一個實際應用的算法，使得行業發展量子計算應用近在咫尺。

此外，對於一般用戶，翁教授預計這些算力強大的專用量子計算機能夠通過網際網路，提供雲服務去訪問。

18年翁教授幫助華為搭建了量子云平臺，19年時他們把這個框架基本上定了下來，而在今年9月份的時候，他們發布了HiQ 3.0的版本（參見華為發布HiQ 3.0 量子計算模擬器及開發者工具）。其實這三個版本是一環扣一環，互相支撐，主要解決組合優化問題，組合優化問題可能比量子化學在NISQ架構裡更容易去實現。

圖7｜華為HiQ 3.0發布現場（來源：華為）

而且翁教授和他的團隊馬上要建立HiQ optimizer，目前在業界內性能是最好的。

另外對於備受關注的量子霸權領域，翁教授和他的團隊也做到了更大地提升，對比之前阿里運行的220秒，他們僅需98秒，把量子霸權的標準提高了不少。

作為量子計算領域有代表性的研究者，翁教授釋放出來樂觀的信號，可能性甚至提前。

5、《光纖分離變量的量子密鑰分發實驗進展》 張強教授

量子密鑰分發基於量子力學基本原理，結合一次一密的加密方式，可以實現無條件安全通信，因為其重要的現實意義，成為了學術界和工業界的研究熱點。

實現全球化量子密鑰分發，目前主要的兩個挑戰是信道衰減和器件安全性。

首先，張教授從事的是量子通訊領域，加入量子信道，可以做一些經典通訊做不到的事情，或者說利用一些比經典通訊更有效率的方式，其廣為人知的就是量子密鑰分發（QKD，參見QKD原理解釋）。

這個領域有一個核心的問題在於，是否存在一種方法能夠得到一個無條件的且安全的信息傳輸方案。如果通信雙方互相信任，在這個基礎上如果能夠擁有一串非常長的隨機數，並用這個隨機數做Key，將其使用一次後就將它丟棄，這種方法證明信息是理論上安全的。資訊理論如果正確的，這個理論就正確，所以大家把它叫做無條件安全。

另外一種方法是，對於較為核心的機密，大家可能會用對稱加密的方法，這種加密方法需要一個種子密鑰，核心之處在於做到種子密鑰的加密。如果你能分享一些種子密鑰，然後再進行加密，這種經典的加密算法也可以很安全。

這兩類算法其實都有一個問題就是在於怎樣分享密鑰，這其實就是量子通訊來解決的。

量子通訊要實現實用化，需要解決三個問題：第一個是它的安全性，第二個是做得足夠遠，第三個是如何運用。而這個領域普遍的問題就在於如何把它做得既安全又遠，這是張教授和他的團隊工作的主要目標。

圖8｜衛星通信（來源：網絡）

張教授研究了現實條件下的量子密鑰分發安全性，開展了一系列的測量器件無光量子密鑰分發（MDI-QKD）實驗，分別在實驗室內，外場條件和網絡環境下證等在國際上首次實現了MDI-QKD，並於最近創下新的509公裡量子密鑰分發世界紀錄。

同時開展光纖和自由空間的時間頻率傳輸研究，實現16公裡，70dB自由空間時頻傳輸，為未來基於衛星的量子精密測量奠定基礎。也在國際上首次實驗實現了兩粒子複合系統的量子態隱形傳輸，區域網環境下的量子態隱形傳輸，量子比特承諾，量子指紋識別等新型量子通信協議。

以下為下午場各個分會場的報告主題：

會議內容豐富，特殊的背景下，提供了有益的參考。更多的細節以及專業內容，後期會穿插在其他文章裡共享。

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