潘建偉:量子科技:飛向未來的船與帆

「墨子號」量子科學實驗衛星過境，烏魯木齊南山觀測站科研人員在做實驗（合成照片）。 新華社發

　　　中共中央政治局近日就量子科技研究和應用前景舉行了第二十四次集體學習。量子科技是事關國家安全和社會經濟高質量發展的戰略性領域，其具體應用包括量子通信、量子計算、量子精密測量等。

　　當前，量子科技已進入到深化發展、快速突破的新階段，迫切需要多學科的緊密交叉和各項關鍵技術的系統集成。在量子科技領域整合科技資源、集中力量突破，已在世界範圍內形成廣泛共識。

　　今天，量子信息技術正在引領一場新的科技革命，將深遠地影響人類社會。放眼更久遠的未來，量子科技發展所取得的突破或許將幫助人類實現如今難以企及的夢想。從這個意義上說，量子科技正是帶領我們「飛向未來的船與帆」。

　　第一次量子革命 為突破「摩爾定律」做好準備

　　量子的概念最早由德國物理學家普朗克提出來，從某種意義上講，普朗克應該算是舊量子力學的祖父。愛因斯坦和玻爾是舊量子力學之父，他們又是新量子力學的祖父。海森堡、薛丁格和狄拉克等則建立了新量子力學——真正有方程去求解的量子力學，從而引發了第一次量子革命。

　　量子力學給人類帶來了許多技術革新，核能、電晶體、雷射、核磁共振、高溫超導材料、巨磁阻效應等發現和發明都和它有關。可以說，量子力學是現代信息技術的硬體基礎，數學則是軟體基礎，數學和物理結合在一起，奠定了整個現代信息技術的基礎。

　　其實，從日常使用的一部手機裡，就可以看到很多與量子力學相關的基礎研究成果。有人統計，共有八項諾貝爾獎成果在手機裡面：半導體器件是2009年諾貝爾物理學獎、集成電路是2000年諾貝爾物理學獎……

　　正是有了半導體，才有現代意義上的通用計算機；然後在加速器的數據往全世界傳遞的過程中，催生了網際網路；為了檢驗相對論，人們利用量子力學造出了非常精確的原子鐘，在原子鐘的幫助下，我們可以進行全球衛星導航定位。可以說，第一次量子革命直接催生了現代信息技術。

　　隨著技術的進一步發展，現代信息技術遇到了兩大挑戰：一是信息安全瓶頸，二是計算能力的不足。

　　實現信息的安全傳送，自古以來就是人類的夢想。人類早在公元前就發明了一些非常聰明的加密算法，此後又不斷設計出更加複雜的密碼，但隨著計算能力的提高，這些加密算法都被破解了。人類究竟能不能構建一種自己破解不了的密碼呢？

　　計算能力的提高，可以幫我們破解密碼，同時也刺激我們產生更為巨大的算力需求。隨著大數據時代的到來，全球數據量呈指數級增長，每兩年翻一番，對計算能力的需求非常巨大。上世紀40年代，一臺計算機重達1噸，每秒運算五千次。而到了2010年，一臺智慧型手機已可每秒鐘運算很多億次，功耗不超過5瓦，計算能力卻相當於美國阿波羅登月計劃計算能力的總和。

　　一般來說，提升計算能力需要通過加強晶片的集成度。但目前，摩爾定律即將逼近極限，估計再過十年，就會達到亞納米尺寸。到那時，電晶體的電路原理將不再適用。怎麼解決信息科技面臨的這些問題？目前的量子力學已經初步為突破信息安全和計算能力的瓶頸做好了準備。

　　第二次量子革命 進入主動操縱量子的嶄新時代

　　如果說第一次量子革命是人類對量子規律的被動觀測和應用，那麼第二次量子革命則是人類對量子狀態的主動調控和操縱，目前主要發展的應用領域就是量子信息技術。

　　第二次量子革命可從1935年算起，到1950年產生了量子糾纏，1972年之後發展出了較好的技術，能夠對一個個量子狀態進行主動操縱，比如可實現單光子的產生、操縱和探測。這個過程其實非常困難。就拿一個15瓦電燈泡來說，它每秒鐘發射出1021個單光子，要從這麼多光子中拿出一個個光子去做信息處理，對實驗技術要求非常高。

　　不過，一旦能夠從下往上對微觀粒子進行組裝、操縱，其實就掌握了搭建整個世界每一塊積木的本領。這種進步，相當於從孟德爾通過被動觀察總結出遺傳定律，進步到基因工程主動調控生命形態。

　　量子信息技術主要有兩方面：一是量子通信，可實現原理上無條件的安全通信方式；二是量子計算，可提供一種超快的計算能力。

　　量子通信的應用之一是量子密鑰分發。它的原理很簡單，根據量子不可克隆定理，單光子不可分割，所以當人們用一個個光子來傳輸密鑰時，就算竊聽存在，也一定會被察覺，那麼我們就丟棄那些存在竊聽的風險密鑰，保留安全密鑰，再加上「一次一密」的保障，加密內容就不可破譯，這是基於物理學原理的無條件安全。

　　利用量子糾纏可以把量子態從一個物體傳送到另一個物體上，但原來的信息載體不用傳送過去。比如說，我們在上海有一個微觀體系，它由成千上萬個原子組成。如果上海和北京之間有很多對糾纏原子，就可以把上海的體系和在上海的糾纏原子做一個聯合測量，再把測量結果通過無線電臺發送到北京，北京只需對手中的原子進行操作，就可以把上海的體系重新給製備出來——這就相當於在上海的體系被傳送到了北京一樣，但我們並沒有把在上海的任何一個實體原子送到北京。

　　這本質上是一個量子態傳輸的結果，幾十、幾百個原子的狀態，只要操作得足夠快，就可以在網絡裡傳來傳去，這樣一種操作便構成了量子計算機的基本單元：量子信息在網絡裡可以走來走去之後，就可利用量子疊加來進行量子信息的處理，這就是量子計算機。利用這種特質，可以設計一些相關的算法，實現快速分解大數、快速求解線性方程組等，如果製造出來，就可應用於破解經典密碼以及人工智慧、大數據等領域。

　　量子保密通信 「絕對安全」信息傳輸漸行漸近

　　量子通信的發展目標是要在更大範圍內實現安全的信息傳輸，發展路線是通過光纖實現城域的量子通信網絡、通過中繼實現城際的量子網絡、通過衛星中轉實現遠距離量子通信。

　　在量子通信這一領域，中國科學家有很多重要的貢獻。比如，清華大學段路明教授在量子中繼方面做了很好的工作；在光纖城域網絡領域，清華大學王向斌教授也有很好的工作。

　　基於可信中繼技術，中科大量子通信團隊在2007年首次把光纖量子通信的安全距離拓展到100公裡。2008年，我們建設了一個小型網絡，2012年又建成了規模化的量子通信網絡，並投入了永久使用。最後，我們逐步把這些區域網連起來，變成了現在的「京滬幹線」。將來，量子中繼可能是最終解決遠距離量子通信問題的路徑之一。

　　以目前的技術，要實現遠距離的量子通信，需要衛星的中轉。通過十幾年的努力，我們和中科院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院的聯合團隊，研製成功了國際上第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」，並於2016年8月成功發射。目前，衛星已在軌運行四年多，狀態和性能依然良好。

　　「墨子號」有三大科學實驗任務。一是星地間量子密鑰分發，即在1200公裡的距離上，目前每秒可點對點發送十萬個安全密鑰，這比相同距離的光纖傳輸速率提高了20個數量級。二是實現了德令哈到烏魯木齊、德令哈到麗江之間，相距約1200公裡的量子糾纏分發。三是實現了上千公裡的量子隱形傳態。這些工作在2017年完成後，「墨子號」就實現了天地之間的量子通信，再加上「京滬幹線」所實現的千公裡級光纖城際量子通信網絡，共同構成了天地一體化廣域量子通信網絡的雛形——這是國際上量子信息領域兩個標誌性事件之一。

　　在「墨子號」成功實施之後約一年，歐盟啟動了量子旗艦計劃，而美國則啟動國家量子行動計劃，量子信息在全球開始熱起來了。

　　量子計算的未來 破解經典計算機解決不了的問題

　　量子計算發展的第一階段是量子優越性，這已由谷歌公司於2019年10月實現，即針對某些特殊問題，造出一臺比目前超級計算機算得更快的量子計算機，大概需要約50個比特。這也是量子信息技術的兩大標誌性事件之一。

　　該系統名字叫作「懸鈴木」，約能操縱53個超導量子比特。它需要200秒算完的任務，目前世界排名第一的「頂點」超級計算機大概需要算一萬年左右。

　　第二階段，科學家希望能夠操縱四五百個量子比特，以構造一種專用的量子模擬機，針對一些複雜物理系統，比如高溫超導機制、新材料設計等目前超級計算機算不了的問題，用量子模擬機來進行運算，解決一些實實在在的問題。

　　二三十年後，人類也許能造出一臺可編程的通用量子計算機。這需要通過各種體系來開展相關工作，比如清華大學薛其坤教授所研究的拓撲量子計算、段路明教授從事的離子阱量子計算等。

　　除了上述提到的工作外，目前我國在量子計算領域的研究主要集中在三個方向：第一是光量子計算，今年大概能夠實現50個光子相干操縱，也能夠達到量子優越性，我們採用了與谷歌不同的技術途徑。第二，在超導量子計算方面，希望在今年年底，能做到60個左右的量子比特。第三，希望量子計算能真正用來解決一些物理學、化學、材料科學中很重要、但用經典計算機解決不了的問題，目前已有比較好的進展。

　　展望未來，在量子通信方面，我們希望能夠在外太空搭建一個非常精準的光鍾，這個光鐘的穩定度大概可以達到10萬億年誤差不超過1秒鐘——再結合廣域量子通信技術，就可以提供一種引力波探測的新途徑。

　　我們也希望，將來可以在地球和月球之間的拉格朗日點放一個量子糾纏光源的載荷，如果未來還可在月球上放一個基站，那就可以在地球和月球之間開展光秒量級距離的、有觀測者參與的量子力學非定域性的檢驗。

　　（作者系中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長）