中國科學(xué)家在光量子領(lǐng)域取得突破！

　　近日，中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉等人與德國、荷蘭的科學(xué)家合作，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，在四大關(guān)鍵指標(biāo)上均大幅刷新國際記錄，逼近實(shí)現(xiàn)量子計算研究的重要目標(biāo)“量子霸權(quán)”。

　　國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》日前以“編輯推薦”的形式發(fā)表了該成果，審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)研究突破是“一個巨大的飛躍”，“是通往實(shí)現(xiàn)‘量子霸權(quán)’的‘彈簧跳板’”。

　　美國物理學(xué)會Physics網(wǎng)站以“玻色取樣量子計算逼近里程碑”為題對該工作做了精選報道，網(wǎng)站評價認(rèn)為，這個實(shí)驗(yàn)已經(jīng)接近超越傳統(tǒng)計算機(jī)，意味著量子計算領(lǐng)域的一個里程碑。

　　我國量子計算研究獲重要進(jìn)展：玻色取樣實(shí)驗(yàn)逼近“量子霸權(quán)”

　　據(jù)新華網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)等多家媒體報道，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星以及德國和荷蘭的科學(xué)家合作，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計算，輸出了復(fù)雜度相當(dāng)于48個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，其維數(shù)高達(dá)370萬億。

　　這個工作在光子數(shù)、模式數(shù)、計算復(fù)雜度和態(tài)空間這四個關(guān)鍵指標(biāo)上都大幅超越之前的國際記錄，其中，態(tài)空間維數(shù)比國際同行之前的光量子計算實(shí)驗(yàn)高百億倍。論文以“編輯推薦”形式近日發(fā)表于《物理評論快報》（PRL）。美國物理學(xué)會Physics網(wǎng)站以“玻色取樣量子計算逼近里程碑”為題對該工作做了精選報道。

　　量子計算機(jī)在原理上具有超快的并行計算能力，在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價值的問題方面相比經(jīng)典計算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級別的加速。當(dāng)前，研制量子計算機(jī)已成為前沿科學(xué)的最大挑戰(zhàn)之一，成為世界各國角逐的焦點(diǎn)。

　　其中，量子計算研究的第一個階段性目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”（亦譯為“量子霸權(quán)”），即研制出能在特定任務(wù)求解方面超越經(jīng)典超算的量子計算機(jī)。面向這一戰(zhàn)略目標(biāo)，潘建偉、陸朝陽研究團(tuán)隊(duì)長期致力于可擴(kuò)展單光子源和玻色取樣量子計算的研究。

　　今年早些時候，研究團(tuán)隊(duì)提出相干雙色激發(fā)和橢圓微腔耦合理論方案，在實(shí)驗(yàn)上同時解決了單光子源所存在的混合偏振和激光背景散射這兩個最后的難題，并在窄帶和寬帶微腔上成功研制出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，相關(guān)成果被選為《自然·光子學(xué)》封面文章。

　　此次研究團(tuán)隊(duì)利用自主開發(fā)的國際最高效率和最高品質(zhì)的單光子源、最大規(guī)模和最高透過率的多通道光學(xué)干涉儀，并通過與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星在超導(dǎo)納米線高效率單光子探測器方面的合作，成功實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式（60個輸入口，60層線路深度，包括396個分束器和108個反射鏡）干涉線路的玻色取樣實(shí)驗(yàn)。

　　與國際同行的類似工作相比，中科大的此次實(shí)驗(yàn)成功操縱的單光子數(shù)增加了5倍，模式數(shù)增加了5倍，取樣速率提高了6萬倍，輸出態(tài)空間維數(shù)提高了百億倍。其中，由于多光子高模式特性，輸出態(tài)空間達(dá)到了370萬億維數(shù)，這等效于48個量子比特展開的希爾伯特空間。

　　這次實(shí)驗(yàn)首次將玻色取樣推進(jìn)到一個全新的區(qū)域：無法通過經(jīng)典計算機(jī)直接全面驗(yàn)證該波色取樣量子計算原型機(jī)，朝著演示量子計算優(yōu)越性的科學(xué)目標(biāo)邁出了關(guān)鍵的一步。

　　PRL審稿人指出：該成果“在解決關(guān)鍵問題上邁出了重要幾步，是個巨大的飛躍，不僅是對光量子計算能力的一次有影響力的測試，更是通往實(shí)現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的彈簧跳板。

　　美國物理學(xué)會旗下Physics網(wǎng)站認(rèn)為：“這意味著量子計算領(lǐng)域的一個里程碑：接近經(jīng)典計算機(jī)不能模擬量子系統(tǒng)的程度。

　　潘建偉：手握量子“秘鑰”的人

　　中國的量子領(lǐng)域，有個人不能不提，甚至在一些報道中他被冠以“中國量子之父”的稱號，他就是潘建偉。

潘建偉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士，奧地利科學(xué)院外籍院士，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長，中科院量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星先導(dǎo)專項(xiàng)首席科學(xué)家。

　　世界級實(shí)驗(yàn)室潛心深造，把技術(shù)帶回中國

　　1996年，在中科大近代物理系完成本科與碩士階段學(xué)習(xí)的潘建偉，進(jìn)入奧地利因斯布魯克大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從安東·塞林格。彼時，他并不知道塞林格正領(lǐng)銜著一個量子信息研究大型項(xiàng)目——在中國，當(dāng)時一個科研項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)常常只有五萬、十萬元人民幣，而這個項(xiàng)目卻是一百多萬歐元級別的。

　　在世界級實(shí)驗(yàn)室，潘建偉一邊在一線參與實(shí)驗(yàn)，同時也在琢磨將來應(yīng)該往什么方向發(fā)展。那時候，他就已經(jīng)開始留心所學(xué)所做，打算未來將這一新興技術(shù)帶回中國。

　　1999年，潘建偉獲奧地利維也納大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理博士學(xué)位。2001年，學(xué)成歸國的潘建偉開始醞釀搭建中國的量子實(shí)驗(yàn)室。隨著我國科研經(jīng)費(fèi)投入的不斷增加，量子實(shí)驗(yàn)室從無到有，從有到強(qiáng)。

　　潘建偉的團(tuán)隊(duì)從2003年開始做量子衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)：系列地面實(shí)驗(yàn)證明，通過衛(wèi)星進(jìn)行量子通信是可行的。在潘建偉的領(lǐng)導(dǎo)下，2016年8月，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，成為全球首顆量子衛(wèi)星。

　　2017年9月，全長2000多公里的量子通信京滬干線全線貫通，采用光纖傳輸量子信號，實(shí)現(xiàn)兩地量子保密通信，同時它的北京接入點(diǎn)與墨子號衛(wèi)星連接，突破了地面光纖傳輸?shù)木嚯x短板，有觀點(diǎn)認(rèn)為，這使得量子通信全球覆蓋的實(shí)現(xiàn)成為可能。

　　潘建偉團(tuán)隊(duì)一系列的科研成果使我國量子保密通信的實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用研究處于國際領(lǐng)先水平。

　　登上“Nature十大年度人物”

　　2017年，潘建偉教授登上“Nature十大年度人物”，并附上一篇新聞特寫，開頭寫道：

　　在中國，有人稱他為“量子之父”。對于這一稱呼，潘建偉當(dāng)之無愧。在他的帶領(lǐng)下，中國成為遠(yuǎn)距離量子通信技術(shù)（利用量子定律來安全傳輸信息）的領(lǐng)導(dǎo)者。潘建偉結(jié)束在歐洲的學(xué)習(xí)后，于2008年回到中國潛心開展科研工作，從此點(diǎn)燃了中國發(fā)展量子技術(shù)的熊熊之火。美國馬里蘭大學(xué)的量子物理學(xué)家Christopher Monroe說：“每一次我看到他們的研究進(jìn)展時，都會感到震撼。”

　　現(xiàn)如今，潘建偉已成為中國量子通信方面的領(lǐng)軍科學(xué)家之一，帶領(lǐng)中國的量子研究穩(wěn)步向前。

　　Google的量子突破并不意味著中國輸?shù)袅肆孔佑嬎銠C(jī)競賽

　　2019年的一個關(guān)鍵詞就是“量子霸權(quán)”，此前，谷歌在Nature發(fā)文實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，對此，中國量子計算團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人潘建偉教授認(rèn)為，美國現(xiàn)在已經(jīng)超過了中國，但這“絕對不是終點(diǎn)”，而潘教授的團(tuán)隊(duì)成員也表示，中國團(tuán)隊(duì)仍然有希望實(shí)現(xiàn)量子至上，科學(xué)和技術(shù)的“圣杯”競賽才剛剛開始。

　　對此，也有不同觀點(diǎn)認(rèn)為中國相關(guān)研究起步較緩。有量子科學(xué)家稱，Google在13年前啟動了量子計算機(jī)程序，其他美國公司（例如IBM）也已經(jīng)進(jìn)行了大量投資并建造了原型機(jī)，但中國直到最近才開始類似的工作。

　　以上觀點(diǎn)，也有反駁聲音。就目前而言，可用的量子計算機(jī)還有很長的路要走，目前美國和中國的先進(jìn)技術(shù)都沒有任何實(shí)際應(yīng)用。

　　“中美在量子計算機(jī)技術(shù)上的差距并不沒有那么大。”北京大學(xué)量子物理學(xué)教授吳飚就說道，“我們還沒有離開起跑線。如果有任何區(qū)別，那可能沒什么大不了，因?yàn)槲覀冸x任何實(shí)際的應(yīng)用程序都還很遠(yuǎn)。”
 

　　期待量子研究突破立竿見影是不切實(shí)際的，可能迫使量子研究游走在科幻小說與現(xiàn)實(shí)之間

　　如今，量子計算機(jī)產(chǎn)生的結(jié)果仍然可靠性仍然存疑。例如，Sycamore在進(jìn)行20輪仿真后只能保證0.2%的精度。量子計算機(jī)中的粒子由于其脆弱的條件也容易受到周圍環(huán)境的影響。

　　盡管筆記本電腦的中央處理器可以無故障運(yùn)行數(shù)年，但Google量子芯片必須每隔幾微秒就停止一次。

　　谷歌對其量子芯片的主張也受到了美國科學(xué)界一些人士的質(zhì)疑。例如，IBM已經(jīng)發(fā)布了一項(xiàng)研究，聲稱谷歌的量子模擬被夸大了，因?yàn)樗�可以在幾天之�?nèi)在經(jīng)典計算機(jī)上完成，即使不是更快。

　　但是，量子計算機(jī)是人類科學(xué)技術(shù)的圣杯。它引起了政府，私人投資者和公眾的極大興趣。然而，對突破寄予立竿見影的厚望是不切實(shí)際的，并且可能迫使量子研究人員為尋求更多的資金和支持，“走在現(xiàn)實(shí)與科幻小說之間的狹窄道路上”。