量子科技發展的陝西力量

近年來，量子科技發展突飛猛進，量子通信、量子計算……如今，量子科技已成為全球科技大國集中發力的新一輪科技革命和產業變革前沿陣地。從頂層設計、戰略投資到人才培養，全球多國在量子科技領域持續投入。

加快發展量子科技，對促進高質量發展、保障國家安全具有非常重要的作用。量子科技在未來不但能使計算機的計算能力提高，通信更快，還會使傳感技術更靈敏，信息精度越來越精確。搶抓量子科技發展機遇，中國已按下「快進鍵」。

西安交通大學：打造量子光學排頭兵

工作人員在陝西省量子信息與光電量子器件重點實驗室內做實驗。記者 王梓萌攝

量子光學是基於輻射場的量子理論研究光輻射的產生、相干統計性質、傳輸、檢測以及光與物質相互作用中的基礎物理問題以及應用的一門學科，現在得到廣泛應用的雷射技術即源自於此。10月23日，記者來到西安交通大學，採訪了在量子光學領域深耕多年的物理學教授、博士生導師李福利。

在高維光子量子態操控等方面

取得重要進展

李福利的科研領域主要包括介質光學性質的量子調控、原子與量子光場相互作用動力學、量子信息與量子計算等，其研究成果曾獲陝西省科學技術獎一等獎、陝西省教學成果獎一等獎、教育部科學技術進步獎二等獎、國家級教學成果獎二等獎、陝西省科學技術進步獎三等獎等多項榮譽。

「依託西安交通大學物理學院建立的陝西省量子信息與光電量子器件重點實驗室，我們主要從事高維量子態操控與超密編碼、高維量子密鑰分發、原子系綜中高維量子信息存儲、單像素光學成像以及光電量子器件等方面的研究，在高維量子態和單光子的產生、調控、存儲及測量方面有著深厚的實驗和理論基礎。」李福利告訴記者。

最近，他帶領科研團隊在高維光子量子態操控、高光學厚度冷原子技術與量子信息存儲方面取得了重要進展。

「高維量子體系相較於二維量子體系可編碼更多的信息位，在量子信息與量子計算中具有優越性，如信道容量更大、信號安全性更好、抗噪聲幹擾能力更強等，同時高維量子體系在量子力學基本問題方面也有著更廣泛的研究內容。」李福利說。

據介紹，該研究小組利用光子高維軌道角動量（OAM）量子態以及偏振、路徑等多個自由度，實現了在高維空間中光子量子態的操控邏輯門，在單光子水平上量子態的轉換率達到93%，通過其組合進而可以實現對於高維量子態的任意么正變換操作，為實現基於光子高維量子態的量子計算提供了基礎。

「同時，實驗室還開展了雙光子高維量子態的控制操作研究，並取得了很好的進展。這些工作為量子通信過程中量子態的糾纏製備與變換、糾錯以及測量奠定了基礎。」李福利說。

在量子信息存儲研究上，李福利表示，冷原子系綜具有易操控和相干性好等特性，是進行光與物質相互作用研究的理想媒介。「高光學厚度冷原子技術是提高光與原子相互作用強度的重要技術手段。」李福利介紹，利用該項技術，實驗室最近產生了一個長約3cm的「雪茄」型冷原子團，原子團軸向長度約3cm，橫截面直徑約1.5mm。經測量，87Rb原子D1線躍遷對應的最大光學厚度(OD)在400左右，原子密度達到5x10¹²cm^-3。在此光學厚度下，單光子軌道角動量量子態的存儲效率可以到63%左右，存儲保真度到99%，這些指標達到了國際先進水平。該系統為量子通信和量子計算中光子存儲、延遲、同步和操控提供了理想實驗平臺。

凝聚高端人才

建立高水平科研平臺

為滿足國家和陝西省對信息、新能源和空間探測產業的重大戰略需求，西安交通大學物理學院承擔建設了陝西省量子信息與光電量子器件重點實驗室，專門開展量子信息與量子計算、光電轉換量子材料與器件、高精密光學測量中的關鍵科學和技術問題的研究，為陝西省建立和發展量子信息、新型光伏、先進遙感技術提供堅實的科學與技術基礎和人才支撐。

李福利介紹，量子信息與量子計算研究方向包含人工量子體系的量子信息處理和量子計算等內容，研究團隊目前聚集了一批長期從事量子光學領域研究工作的中青年科研骨幹。團隊近年來主要圍繞量子相干調控及其在量子信息和量子計算中的應用研究，承擔並完成了包括國家自然科學基金重點項目和國家重點研發計劃在內的多項國家級科研項目。

其中，李福利主持完成的項目「基於腔量子電動力學的量子態製備、操控與量子計算及信息處理」作為代表性研究成果，獲得了2015年度陝西省科學技術獎一等獎。

「量子信息和量子計算可以提供絕對安全的保密通信、巨量信息存儲和超高速信息處理。」李福利介紹，該項目圍繞實現量子信息和量子計算的關鍵科學問題，研究了由原子、量子超導電路、金剛石氮空穴色心與微腔構成的分布式量子電動力學系統中糾纏態的製備、量子態的傳遞、量子邏輯門的實現，以及退相干的物理機制。

項目研究成果為實現量子糾纏分發、量子隱形傳態、分布式量子計算、量子相干性保持提供了重要的理論基礎，為人工量子體系在量子計算以及量子通信等方面的應用建立理論基礎和基本方法，構建可擴展、可調控的實現量子計算和量子保密通信的物理系統，在國內外產生了重要學術影響，在國際一流物理學刊物上發表論文50餘篇，SCI他引704次。

此外，在光電量子器件研究方向，關於晶體矽太陽電池的研究成果已成功應用於西安黃河光伏科技股份有限公司的晶體矽電池生產線，其生產的太陽電池組件被廣泛用於陝西省的光伏電站建設，取得了良好的經濟效益和社會效益。

在成像光譜技術研究方向，西安交通大學的科研團隊也取得了一系列成果：建立了多模多維多尺度光信息一體化獲取平臺和空間、大氣、海洋、環境先進遙感平臺；在國家863計劃及自然科學基金重點項目的資助下，提出了一種高解析度、高靈敏度的圖像、光譜、偏振多維信息一體化獲取技術的原理和方法，並自主研發出了國際首臺成像、光碟、偏振多維信息一體化獲取原理樣機，該研究在基於Savart偏光鏡強度調製多維信息一體化獲取原理研究、裝置研製及軟體研發方面具有重大創新。目前，實驗室正在發展火星全球風場及成分的探測技術。

「今後，我們將繼續圍繞國家目標和戰略產業，開發新產品、新技術，瞄準學科前沿，不斷提高學術水平，引領陝西省量子信息與器件相關的研究方向，促進基礎研究水平的提升。」李福利說。 (記者 王梓萌)

西北大學：開展量子物理研究

西北大學量子物理研究團隊。資料照片

提起西北大學，「中華石油英才之母」「青年經濟學家的搖籃」「作家搖籃」的稱號廣為人知。其實，早在20世紀80年代，憑藉著在數學物理與量子場論等國際前沿領域的研究工作，西北大學就形成了我國理論物理界廣泛認可的「西北軍」，是我國理論物理研究的重鎮，在國際上有著重要的學術地位。

「在已故物理學家侯伯宇先生的帶領下，我們堅持從事數學物理與量子場論等基礎理論的研究工作，像被譽為『中國的驕傲』的『侯氏變換』理論為代表的研究成果在國際上享有盛名。」10月26日，西北大學科技處處長、物理學院教授楊濤告訴記者，「近年來，在物理學院院長、教育部長江學者特聘教授楊文力的帶領下，我們緊密圍繞量子多體理論的研究，形成了量子可積系統、非線性量子物理、量子調控和量子信息基礎理論、電子結構理論與計算等互相關聯和交叉的研究方向，取得了一系列具有國際影響的研究成果。」

量子可積系統研究

處於國際領先水平

西北大學物理學院研究團隊長期堅持量子可積系統精確解及相關問題的研究，對開邊界可積系統、橢圓可積系統等的研究居國內領先、國際同類研究前列，是國際上幾個重要的研究小組之一。

「我們將量子多體理論應用於強關聯可積系統研究，與中科院物理所的王玉鵬、曹俊鵬研究員合作，提出了非對角Bethe Ansatz方法和非齊次T-Q關係，克服了傳統方法的缺陷，成功求解了長期挑戰可積模型領域的『可積但不可解』的一系列典型 U(1)對稱破缺模型。」楊濤說。

楊濤告訴記者，團隊建立的上述精確求解一般量子可積系統的全新理論框架，全面解決了困擾量子可積系統領域40年的系列著名問題，被國際權威評價為該領域的「重要突破」，處於國際領先水平。應著名出版機構 Springer邀請，團隊出版了專著《Offdiagonal Bethe ansatz for exactly solvable models》，權威專家高度評價本書「註定成為該領域的經典」「將對量子可積系統的研究產生深遠的影響」。

電子結構理論是量子物理與量子化學結合的重要交叉研究領域，也是西北大學物理學院研究團隊的傳統優勢和特色方向之一。「我們提出的空穴－粒子對稱圖形酉群方法是原創性的理論，國內外相關研究都是基於我們提出的這一理論開展的。」楊濤說。

基於上述理論，西北大學物理學院研究團隊開發了大規模的多參考態電子相關理論計算程序包Xi』an-CI，該程序是國內少數具有自主智慧財產權的量子化學程序。程序包被用於電子結構理論中的多組態問題的模擬和計算，其部分性能甚至優於國際著名的量化計算高斯程序，已被北京大學、瑞典Lund大學、法國Nice大學等使用，且已安裝在中國科學院網絡中心超級計算中心的計算機上，為全國的理論化學科研工作者提供服務。

打造一支敢闖「無人區」的

高水平人才隊伍

「加強量子多體系統理論及調控方法的研究對促進量子技術的發展具有重要意義，可能在今後二三十年間對人類社會經濟發展產生難以估量的影響。」楊濤說，「在長期的積澱中，西北大學凝聚了一支具有鑽研精神和創新能力的高水平人才團隊，甘坐『冷板凳』，敢闖『無人區』。」

目前，西北大學理論物理研究團隊擁有成員30人，其中教授13人，副教授11人。團隊成員全部具有博士學位，平均年齡為39歲，是一支年富力強、充滿活力的學術團隊。近年來，團隊共承擔國家重點研發計劃項目課題1項、國家自然科學基金項目27項及陝西省自然科學基礎研究計劃重大基礎研究項目等省部級科研項目10餘項。

從事基礎研究需要科研人員耐得住寂寞，坐得住「冷板凳」。「以侯伯宇先生為代表的老一輩物理學家執著追求、積極樂觀、不計名利、潛心科學研究的精神一直鼓舞和感召著我們，為學科的持續發展創造了良好氛圍。」楊濤說。

以西北大學理論物理研究團隊為基礎，2013年，西北大學物理學院成為國家基金委首批建設的五個「理論物理人才培養與學術交流平臺」之一；2016年，獲批建設「陝西省理論物理前沿重點實驗室」；由於建設成效顯著，2019年獲國家基金委批准與中國科技大學聯合建設「彭桓武高能基礎理論研究中心」，成為國內高校首家彭桓武理論物理研究中心。

現在，西北大學物理學院與中國科學院物理研究所建立了長期的科學研究與人才培養合作關係，聯合創辦「嚴濟慈物理學英才班」；與美國、英國、澳大利亞、德國等國家的著名研究機構開展廣泛的交流合作；先後舉辦了國家基金委量子可積系統暑期學校，2017全國「量子物理：基礎、前沿、未來」學術會議，第五屆全國光孤子學術研討會，扭結場論國際研討會等國內外學術會議，鼓勵團隊成員和學生積極開展學術交流、訪問，形成了良好的學術傳統和氛圍。

「習近平總書記關於量子科技發展的重要講話令人振奮，對我們做好量子科技相關科研工作具有重大指導意義。」西北大學理論物理研究團隊學術帶頭人、科技部國家重點研發計劃「量子調控與量子信息」重點專項總體專家組成員楊文力說，「基礎研究是科技創新的源頭，我們將緊扣量子多體相互作用這一主線潛心量子物理的基礎理論研究，面向科學前沿，培養創新人才，為我國量子科技的發展貢獻西大力量。」 (記者 霍強)

中科創星：在量子領域加大投資力度

9月12日，合肥本源量子計算科技有限責任公司（以下簡稱本源量子）完全自主開發的超導量子計算雲平臺正式向全球用戶開放，該平臺基於本源量子自主研發了超導量子計算機——悟源。普通用戶可以在雲平臺上使用圖形化界面編程模式和多種量子應用，體驗量子計算的獨特魅力；專業用戶則可以使用雲平臺提供的代碼編程模式，編寫量子程序開發量子應用或驗證小型量子算法。

目前，本源量子云是國內唯一面向普通用戶與開發者提供真實量子計算服務的雲平臺。作為國內量子計算領域的龍頭企業，本源量子也受到了來自陝西的投資機構——中科創星的青睞。

「本源量子是2017年成立，我們看好企業的技術實力和發展前景，2018年我們天使輪投資了4000萬元。」「硬科技」理念提出者，中科創星創始合伙人、聯席CEO米磊告訴記者。中科創星是西安光機所聯合社會資本創辦的專業從事「硬科技產業孵化+創業投資」的一站式平臺，為科技創業者提供專業、深度、全面的孵化及融資解決方案。

近日，智慧財產權產業媒體IPRdaily與incoPat創新指數研究中心聯合發布了「全球量子計算技術發明專利排行榜（TOP100）」。本源量子以77件專利躋身全球第七，較上年度提升五位，也是國內唯一進入前十的量子計算公司，發展勢頭良好。

除了本源量子，中科創星還在光電晶片、航空航天、人工智慧、精密製造等領域進行布局，截至今年9月，已經投資、孵化硬科技企業300餘家，累計實現投資超過35億元，打造了一批填補國家空白、打破國外封鎖、有實力代表國家參與全球競爭的硬科技企業，硬科技在驅動經濟高質量發展中的「頭雁」作用也日益凸顯。

米磊將硬科技定義為基於科學發現和技術發明之上，經過長期研究積累形成的，具有較高技術門檻和明確的應用場景，能代表世界科技發展最先進水平、引領新一輪科技革命和產業變革，對經濟社會發展具有重大支撐作用的關鍵核心技術，而量子科技無疑正是硬科技的典型代表。

「習近平總書記關於量子科技發展的重要講話進一步堅定了我們的發展信心，他指出，要保證對量子科技領域的資金投入，同時帶動地方、企業、社會加大投入力度。作為硬科技理念的倡導者和硬科技產業孵化、投資平臺，中科創星將密切關注量子科技領域的前沿技術，加大在量子科技領域的投資力度，助力科研機構和企業在基礎研究、工程技術研發、產業發展等方面搶佔量子科技國際競爭制高點，構築發展新優勢。」米磊如是說。（記者 霍強）

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探尋量子科技的奧秘

什麼是量子科技？量子科技為什麼重要？這都要從量子力學開始說起。

量子力學是量子科技的基礎。量子力學發源於20世紀初，是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支，主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論。隨著量子力學相關理論不斷獲得實驗支持，在100多年裡催生了原子彈、雷射、電晶體、核磁共振、全球衛星定位系統等重大發明，改變了世界面貌。

復旦大學物理學系教授施鬱表示，量子力學建立以後，成為整個微觀物理學的理論框架，取得一個又一個的成功。量子力學解釋了化學元素周期表、化學反應、化學鍵、分子的穩定性等。量子力學也在幫助人們理解宇宙。宇宙跨越各種尺度，從最小、最微觀的基本粒子到可以看見的宏觀世界，到天體以及整個宇宙，從光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子構成的凝聚態物質，量子力學都起了重要的作用，也因此成為現代技術的基礎。

量子力學帶來了豐富的科學技術。量子信息技術是量子力學的最新發展，代表了正興起的「第二次量子革命」。在量子信息技術中，具有代表性的是量子通信和量子計算，這也是各主要科技大國重點搶佔的戰略技術高地。

量子通信是利用量子力學相關原理解決信息安全問題的通信技術。量子糾纏則是其中一個著名原理，兩個處於糾纏狀態的量子就像有「心靈感應」，無論相隔多遠，一個量子狀態變化，另一個也會隨之改變。傳統的通信方式有被竊聽的風險，而在量子通信中，竊聽者必然會被察覺並被通信雙方規避。因此，量子通信常被稱作信息安全傳輸的「保護盾」，在保密領域有很大應用前景。

近年來，中國量子通信技術取得多項突破性進展。2016年8月，中國發射了自主研製的世界上首顆空間量子科學實驗衛星「墨子號」，此後，中國科研人員利用量子衛星在國際上率先成功實現了千公裡級的星地雙向量子糾纏分發等成果；2017年，全球首條量子保密通信骨幹網「京滬幹線」項目通過總技術驗收……

量子計算則是各國優先發展的另一重點科技領域。雖然量子計算機距離大規模普及還有很長的路要走，但相關前景廣闊。與傳統計算機相比，量子計算機有獨特優勢。傳統計算機中1個比特在某個時間只能是0或1中的一個狀態，而在量子計算機裡，由於量子疊加態的存在，1個量子比特可同時記錄0和1兩個狀態。因此，量子計算機擁有計算能力遠超傳統計算機的潛力。但目前人類能同時操縱的量子比特還不多，量子計算機尚未走向大規模實用。

近年來，中國科學技術大學、清華大學等高校都在量子計算領域取得一些階段性成果。百度、阿里巴巴、騰訊、華為等科技企業也相繼出臺了量子計算研究計劃。 (記者 王梓萌)