《瞭望》新(xin)聞周(zhou)刊記者 徐海(hai)濤 周(zhou)暢 陳諾
2015年(nian)5月26日，潘建(jian)偉在(zai)中金宝搏入口188上海(hai)研究院的實驗室里調試設備 張端攝/本刊
“九(jiu)章”和“祖沖(chong)之二號”的成果，使得(de)我國成為目(mu)前唯一在兩種物理體系都實現“量(liang)子計算(suan)(suan)優越(yue)性”的國家，牢(lao)固確(que)立了量(liang)子計算(suan)(suan)研究(jiu)國際第一方陣(zhen)的地位
2016年8月，“墨子(zi)(zi)號”量子(zi)(zi)科學實(shi)驗衛星發射升空，標志著我國(guo)(guo)走向(xiang)全(quan)球量子(zi)(zi)通信研究的引(yin)領地位。2020年12月，188bet足球宣布該校潘建偉等(deng)成功(gong)構建76個光(guang)子(zi)(zi)的量子(zi)(zi)計(ji)算原(yuan)型(xing)(xing)機“九章”，使我國(guo)(guo)成為全(quan)球第二(er)個實(shi)現“量子(zi)(zi)計(ji)算優越性”的國(guo)(guo)家。2021年10月，113個光(guang)子(zi)(zi)144模式的量子(zi)(zi)計(ji)算原(yuan)型(xing)(xing)機“九章二(er)號”宣布誕生。
從(cong)“墨子號(hao)”到“九章二(er)號(hao)”，中國科(ke)學院院士潘建(jian)偉(wei)心(xin)中不變的是對量(liang)子世界的探索和對我國量(liang)子科(ke)技發展的追(zhui)求。
潘建偉告(gao)訴《瞭望》新聞周刊，量子科(ke)技(ji)關乎國家戰(zhan)略，心(xin)懷“國之大者”，唯有不斷突(tu)破創新，要努力探索更加(jia)靈(ling)活高(gao)效、資源整合的(de)協(xie)同創新之路，使我國量子科(ke)技(ji)發展始終走在世界前列。
“中國人一樣可以做好科研”
《瞭望》：為何給(gei)世界上首顆量子(zi)科學實驗衛星(xing)起名“墨(mo)子(zi)號”？
潘建偉：現在看(kan)發射(she)錄像感覺很輕松，但其(qi)實在發射(she)前30秒，我一直雙手合十，希望衛星(xing)能成功(gong)進入太(tai)空。給這顆(ke)衛星(xing)取名(ming)“墨(mo)子號”，是因為墨(mo)子是中(zhong)國(guo)歷(li)史上的“科(ke)圣”，想(xiang)告訴(su)大家(jia)：中(zhong)國(guo)人(ren)一樣可(ke)以做好科(ke)研。
墨子(zi)生活在(zai)2400年(nian)前，他主(zhu)張(zhang)兼(jian)愛(ai)、非攻，也就是(shi)(shi)平(ping)等博(bo)愛(ai)、反對戰爭。他在(zai)《墨經》里提出“止，以久也，無(wu)久之不(bu)(bu)止”，說(shuo)的(de)(de)是(shi)(shi)一個物體之所以會停(ting)下來(lai)，主(zhu)要(yao)因為受到(dao)力(li)(li)的(de)(de)作用，如果沒有(you)阻力(li)(li)的(de)(de)話，一個物體的(de)(de)運(yun)(yun)動(dong)是(shi)(shi)永(yong)遠(yuan)不(bu)(bu)會停(ting)止的(de)(de)，這其實(shi)與牛(niu)頓第(di)一運(yun)(yun)動(dong)定律是(shi)(shi)相同的(de)(de)概念。此(ci)外(wai)，墨子(zi)在(zai)2000多年(nian)前就做過小孔成(cheng)像實(shi)驗。我們(men)知道光(guang)只有(you)沿著(zhu)直線傳(chuan)播才會有(you)這種現象(xiang)。
我們(men)將世界上首(shou)顆量(liang)子(zi)科學實驗(yan)衛星取名(ming)為(wei)“墨子(zi)號(hao)”，一方(fang)面是為(wei)了紀念墨子(zi)在(zai)光(guang)學研究方(fang)面取得的成就，同時也為(wei)彰顯我們(men)的文(wen)化自信。
《瞭望》：“墨子號(hao)”起到了什么(me)樣的作用？
潘建偉：利(li)用(yong)量子衛星建立量子通(tong)信網絡，可(ke)以在全球(qiu)范圍內覆蓋各類海島、遠洋船(chuan)舶、駐外機構等光(guang)纖難以或(huo)者無(wu)法(fa)到達的地方，保障(zhang)我國在全球(qiu)范圍的信息傳輸安全。“墨子號”的實驗充(chong)分驗證了(le)這一可(ke)行性。
“墨(mo)子號(hao)”已(yi)順利完成三大科學實驗(yan)任務(wu)。在此基礎上(shang)，又完成了(le)(le)“墨(mo)子號(hao)”和(he)“京滬干線(xian)”的(de)對(dui)接，實現了(le)(le)洲(zhou)際量子保密通信。此外，“墨(mo)子號(hao)”還對(dui)量子力學與(yu)引力的(de)融合(he)等物理學基本問題檢(jian)驗(yan)提(ti)供(gong)了(le)(le)新(xin)的(de)平臺。
量子計算研究位于國際第一方陣
《瞭望》：成(cheng)功構(gou)建量(liang)子計算(suan)原型機“九章”的意義是什么？
潘建偉：根據當時(shi)最(zui)優(you)的(de)經典算(suan)(suan)法估計(ji)，“九章(zhang)”對高斯玻色取樣問題的(de)計(ji)算(suan)(suan)速度，比世界(jie)最(zui)快(kuai)的(de)超級計(ji)算(suan)(suan)機“富岳”快(kuai)一百萬億倍，從(cong)而在全球第(di)二個實現了“量子計(ji)算(suan)(suan)優(you)越性”。取名(ming)“九章(zhang)”，則(ze)是為了紀念中國古代著(zhu)名(ming)數(shu)學專著(zhu)《九章(zhang)算(suan)(suan)術》。
實(shi)現2020年這(zhe)次突破(po)(po)，我(wo)們其實(shi)歷經了(le)20年的努力。“九(jiu)章”的突破(po)(po)，主(zhu)要攻克(ke)了(le)三(san)大(da)技術難關(guan)：高品質量子(zi)光源、高精度鎖相技術、規模化干涉技術。
今年(nian)以來，我們團(tuan)隊進行(xing)了一系列概念和技術創新，近期成功研制(zhi)出“九章二號”。我們主要有三(san)大(da)突破，首先顯著提(ti)高了量子(zi)光源的(de)產率、品質和收(shou)集(ji)效率，將光源關鍵指標(biao)從(cong)63%提(ti)升到(dao)92%。其次，將多光子(zi)量子(zi)干涉線路從(cong)100維度(du)增(zeng)加到(dao)144維度(du)，操(cao)縱(zong)的(de)光子(zi)數從(cong)76個增(zeng)加到(dao)113個。第三(san)，新增(zeng)了可編程(cheng)功能。
結果顯示(shi)，“九(jiu)(jiu)章(zhang)二號”的(de)算(suan)力實現巨(ju)大提升。根據目前(qian)已(yi)發表(biao)的(de)最優經典算(suan)法，“九(jiu)(jiu)章(zhang)二號”求(qiu)解高斯(si)玻(bo)色取樣問(wen)題(ti)(ti)的(de)處理速度，比(bi)(bi)全球最快的(de)超(chao)級(ji)計(ji)算(suan)機(ji)快億億億倍，比(bi)(bi)76個光子(zi)的(de)“九(jiu)(jiu)章(zhang)”快100億倍。目前(qian)的(de)“九(jiu)(jiu)章(zhang)二號”還只(zhi)是(shi)“單項(xiang)冠軍”，只(zhi)能求(qiu)解高斯(si)玻(bo)色取樣這一特定問(wen)題(ti)(ti)，但(dan)對這一問(wen)題(ti)(ti)的(de)求(qiu)解在圖論、量子(zi)化學(xue)等領域具有潛(qian)在應(ying)用價值。
《瞭望》：量子(zi)計(ji)算包(bao)括多條技(ji)術(shu)路線，我國在超(chao)導量子(zi)計(ji)算上的(de)布局是怎樣的(de)？
潘建偉：除了光量(liang)子計(ji)算，我們在超導量(liang)子計(ji)算方向也有較(jiao)好的布(bu)局。
今年5月，我們構建了當時超導(dao)量(liang)子(zi)比(bi)(bi)特數目(mu)最(zui)多(duo)的(de)(de)(de)62比(bi)(bi)特超導(dao)量(liang)子(zi)計算原(yuan)型機“祖(zu)沖(chong)之(zhi)號(hao)”，實現了可編程的(de)(de)(de)二(er)維量(liang)子(zi)行(xing)走(zou)。在“祖(zu)沖(chong)之(zhi)號(hao)”的(de)(de)(de)基礎上(shang)，我們采用(yong)全新的(de)(de)(de)倒裝焊3D封裝工藝，解決(jue)了大規模(mo)比(bi)(bi)特集成(cheng)的(de)(de)(de)問題，研制成(cheng)功“祖(zu)沖(chong)之(zhi)二(er)號(hao)”，實現了66個數據(ju)(ju)比(bi)(bi)特、110個耦合比(bi)(bi)特、11路(lu)讀(du)取(qu)(qu)的(de)(de)(de)高密度(du)集成(cheng)。通過量(liang)子(zi)編程的(de)(de)(de)方(fang)式，我們實現了對量(liang)子(zi)隨機線路(lu)取(qu)(qu)樣，演示了“祖(zu)沖(chong)之(zhi)二(er)號(hao)”可用(yong)于執行(xing)任意量(liang)子(zi)算法的(de)(de)(de)編程能力(li)。根據(ju)(ju)目(mu)前已公開的(de)(de)(de)最(zui)優化經典算法，“祖(zu)沖(chong)之(zhi)二(er)號(hao)”對量(liang)子(zi)隨機線路(lu)取(qu)(qu)樣問題的(de)(de)(de)處理(li)速度(du)比(bi)(bi)目(mu)前最(zui)快的(de)(de)(de)超級計算機快千(qian)萬倍(bei)以上(shang)，比(bi)(bi)谷歌的(de)(de)(de)同類型原(yuan)型機“懸鈴木”快約四(si)萬倍(bei)。
“九章”和“祖沖之二(er)號(hao)”的(de)成果，使得我國(guo)(guo)成為目前唯(wei)一在兩種物理(li)體系都實現(xian)“量子計(ji)算優越性”的(de)國(guo)(guo)家，牢固確立了量子計(ji)算研究國(guo)(guo)際第一方陣的(de)地(di)位。
奮進量子信息戰略技術
《瞭望》：量子(zi)信息技(ji)術發展會給(gei)我們(men)帶來什么？
潘建偉：量(liang)子(zi)信(xin)息技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)不僅是(shi)(shi)(shi)我國的(de)(de)戰略(lve)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)，也已(yi)經(jing)成為(wei)(wei)歐(ou)美主(zhu)要(yao)(yao)發(fa)達(da)國家的(de)(de)重要(yao)(yao)戰略(lve)布局。正如晶體管是(shi)(shi)(shi)計算機的(de)(de)基礎(chu)，激光(guang)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)是(shi)(shi)(shi)現代互聯網的(de)(de)重要(yao)(yao)支(zhi)撐，導航技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)發(fa)展(zhan)離不開(kai)原子(zi)鐘(zhong)等精密測量(liang)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)支(zhi)撐……量(liang)子(zi)力學(xue)(xue)的(de)(de)建立直接催生(sheng)了(le)現代信(xin)息技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)發(fa)展(zhan)。經(jing)過百余年的(de)(de)發(fa)展(zhan)歷(li)程，量(liang)子(zi)力學(xue)(xue)已(yi)經(jing)為(wei)(wei)解決我們目前(qian)遇到的(de)(de)一些問題做(zuo)好了(le)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)上的(de)(de)儲備。
量子通(tong)信提供(gong)了原理(li)上無條件安全的通(tong)信方式，可(ke)以大幅(fu)提升現有信息(xi)系統的安全性。
量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)的(de)計(ji)算(suan)(suan)能力隨著量(liang)子(zi)比特(te)數(shu)目的(de)增加呈(cheng)指(zhi)數(shu)增長。量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)并行運(yun)算(suan)(suan)的(de)能力，可用于(yu)大數(shu)分解、求(qiu)解線(xian)性方程組等。如利用萬億次(ci)經典計(ji)算(suan)(suan)機分解300位的(de)大數(shu)，需(xu)要15萬年，但是利用萬億次(ci)量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)機，只需(xu)要1秒。因(yin)此，量(liang)子(zi)計(ji)算(suan)(suan)顯現(xian)出強大的(de)潛能，可用于(yu)經典的(de)密碼破(po)譯、氣象(xiang)預報、金融分析、藥物設計(ji)、揭(jie)示新(xin)能源新(xin)材料(liao)機制等等多(duo)種應用。
《瞭望》：你接下來的目標(biao)是什么？
潘建偉：在量子計算領(ling)域，國際學術界定義了(le)3個(ge)階段(duan)性的(de)目標，第(di)(di)一階段(duan)目標已經達到(dao)了(le)。第(di)(di)二階段(duan)是完(wan)成量子糾(jiu)錯的(de)原理實現，研制相干操縱數百個(ge)量子比(bi)特的(de)專用量子模擬機，應用于組合(he)優(you)化、量子化學、機器學習等(deng)特定問題，指導(dao)材料設計、藥物開發等(deng)。達到(dao)該階段(duan)需要5至10年，是當前的(de)主(zhu)要研究任務。
在量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)通(tong)信領(ling)域，我(wo)們希(xi)望通(tong)過10到15年的努力(li)，發(fa)展(zhan)出完(wan)整的天地一體廣域量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)通(tong)信的相關技術，并推動量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)通(tong)信在金融(rong)、政務、能源等領(ling)域的廣泛(fan)應用。同時，利用廣域量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)通(tong)信發(fa)展(zhan)出來的高精度(du)(du)光量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)傳輸(shu)技術和空(kong)間量(liang)(liang)(liang)子(zi)(zi)科學實驗平臺(tai)，構建高精度(du)(du)的時間頻率傳輸(shu)網絡，對(dui)下一代“秒”定義作(zuo)出重要貢獻。在此基礎上，我(wo)們希(xi)望能夠開展(zhan)對(dui)引力(li)波探(tan)測、暗物(wu)質搜索(suo)等物(wu)理學基本問題(ti)的研究。
《瞭望》2021年第51期
