潘建伟院士：量子科技最新进展及未来展望

来源：君联资本CEOClub

2020年，76个光子的量子计算原型机“九章”在求解高斯玻色取样的特定问题上，速度是当时最快的经典超级计算机的100万亿倍。近期潘建伟团队已经实现了255个光子的九章3号量子计算原型机，它针对特定问题的求解能力已经比经典的超级计算机快1000万亿亿倍。

近日，在澳门举办的第三届BEYOND国际科技创新博览会（BEYOND Expo 2023）上，中国科学院院士、中科院量子信息与量子科技创新研究院院长、中国科学技术大学常务副校长潘建伟介绍了目前量子科技方面的工作和对此领域的未来展望。

潘建伟透露，“当前我们正在研制第一颗中高轨量子卫星，计划2026年前后发射。除了要实现量子密钥分发之外，这也为中高轨卫星量子精密测量提供了新的平台。”同时，潘建伟称计划在中高轨卫星上搭载一颗超高精度的光钟，它的精度达到E-19（10的负19次方）水平，相当于时钟约一千亿年的误差不超过一秒。

以下为演讲原文，与您分享。

图源：BEYOND Expo 官方

潘建伟院士

牵头研制了国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”，建成了国际上首条量子保密通信骨干网“京沪干线”，并构建了首个天地一体的广域量子保密通信网络雏形。他也是国盾量子的发起创办者之一。

2022年的诺贝尔物理学奖颁给了3位量子科技领域的先驱，以表彰他们利用纠缠光子实现了贝尔不等式的违背（意味着纠缠粒子对确实是不可分离的整体特性，无法分成其中每个粒子单独的局域性质的组合），并因此开创量子信息科学。非常高兴的是，在2022年诺贝尔物理学奖的新闻发布会和科学背景介绍中，都对中国科学家的相关工作进行了重点介绍，包括“墨子号”量子卫星实现星地的密钥分发、地星量子隐形传态以及我们最近的设备无关的量子密钥分发的工作。

为了便于大家理解，首先请允许我对量子叠加原理进行简要介绍。大家都知道，在我们的日常生活中，一只猫在某一个确定的时刻只能处于活或者死状态里面的某一个。然而根据量子叠加原理，在量子世界当中一只猫可以同时处在两种状态。当把量子叠加原理拓展到多粒子体系，我们就可以得到量子纠缠的概念。例如在量子世界当中的两只猫，可以同时处于活和死状态的相干叠加。这种状态就像两个骰子一样，不论它们相距多么遥远，其中一个掷出的点数和另外一个一定是一样的。爱因斯坦将量子纠缠的这种现象称为遥远地点之间的诡异的互动。

在物理上任何两能级的系统（含有两个能级的量子系统）都可以用来构建一个量子比特，比如我们可以用一个光子水平和竖直两种极化状态来编码一个量子比特的信息。对于两光子的量子系统就可以处在四个最大的极化纠缠之中，再通过贝尔不等式来检验量子力学被定义的过程，物理学家从中发展出可对量子系统进行高精度调控的量子技术，从而导致了量子信息科学的诞生。

量子信息科学主要包括两方面的应用：第一，利用量子通信我们可以提供一种原理上是无条件安全的通信方式。第二，利用量子计算我们可以大幅度提高运算。

量子密钥分发是最著名的量子通信协议，可以实现基于单光子的量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD），从而在两个用户之间产生安全的密钥，再结合一次一密，就可以实现无条件安全的信息传输。同时，也可以实现基于量子纠缠的量子密钥分发。

在量子计算当中，人们是利用量子比特来编码信息，利用量子叠加原理实现超快的并行计算，从而在原理上可以达到指数级的加速。大数分解算法是目前最著名的量子算法，比如要分解一个300位的自然数，利用每秒运算万亿次的经典计算机需要15万年，而用同样运算速度的量子计算机则只需要一秒钟。因此量子计算机可以应用在破解经典密码、天气预报、金融分析和药物设计等多个领域。为了实现广域的量子通信网络，我们可以利用光纤来构建城域量子通信，利用量子中继来实现两个城市之间的城际量子通信，在量子卫星平台进一步的帮助下，可以实现远距离的量子通信。

我国科学家经过近20年的努力，成功研制了世界上首颗量子科学卫星“墨子号”并在2016年8月成功发射。到了2017年9月，远距离光纤量子通信骨干网——“京沪干线”正式开通。结合“墨子号”和“京沪干线”，我们在广域量子通信网络雏形的技术上已经初步验证天地一体化的量子网络在原理上可行。而在量子计算方面，实现通用的量子计算机还需要长时间的努力。

为了确保该领域的健康发展，学术界设定了三个发展阶段。

第一个阶段是要实现量子计算的优越性，量子计算系统对某些特定问题的求解速度已经远远超过了经典超级计算机，展现出量子计算本身的优越。第二阶段是构建专用的量子模拟器，用来求解一些经典计算机难以胜任的特定复杂问题，比如高温超导机制等。第三阶段的目标是希望在量子纠错的帮助下，实现通用的可编程量子计算。

在2020年我们实现了76个光子的量子计算原型机“九章”。“九章”在求解高斯玻色取样的特定问题上，速度是当时最快的经典超级计算机的100万亿倍。之后我们的系统进行了不断的升级，近期我们已经实现了255个光子的“九章”3号光量子计算原型机，它针对特定问题的求解能力已经比经典的超级计算机快1000万亿亿倍。

为了在未来实现全球化的量子通信，我们需要克服目前卫星量子通信所面临的难题。一是单颗的低轨卫星没办法直接覆盖全球；二是目前的卫星还只能在低区工作，而相应的解决方案是通过发射多颗低轨卫星来构成一个高效率的卫星网络。也就是说在所谓量子星座的基础上，我们可以发射具有更长过境时间的中高轨卫星，以此来分发更多的密钥。

而这些方案实现的一个根本前提，就是卫星能在太阳辐射的背景下工作。在2017年的时候，我们已经实现在日光背景下的远距离自由空间量子通信的地面实验，验证了量子通信是全天可行的，实现了实用化、低成本和轻量化的微纳量子卫星。

国际上首颗微纳量子卫星“济南一号”已经在2022年7月发射，它载荷的重量只有20公斤，与“墨子号”相比已经大幅度降低。当前我们正在研制第一颗中高轨量子卫星，计划2026年前后发射。除了要实现量子密钥分发之外，这也为中高轨卫星量子精密测量提供了新的平台。

我们将利用中高轨量子卫星实现万公里量级的量子纠缠分发，在未来将借助全球化的纠缠分发将多个原子纠缠起来，从而大幅度提高原子钟的稳定。与此同时，我们计划在中高轨卫星上搭载一颗超高精度的光钟，它的精度达到E-19（10的负19次方）水平，相当于时钟约一千亿年的误差不超过一秒。

利用高精度的光钟和高精度的光频标的传输，就可以实现全球化的高精度提升，相比当前微波授时的准确度可以提高4个数量级，为新一代的秒定义提供了相应的技术支撑。在外太空由于磁场和地球引力的噪声极其微弱，所以在原则上光钟的稳定度可以达到10的-21次方。

利用超高精度的光钟和超高精度的光频传输，我们可以在外太空构建一个干涉仪，利用干涉仪开展一些物理学基本原理的检验，包括暗物质的探测和引力波的探测等等。

在量子计算领域，我们希望在未来5年可以达到对数百个量子比特的相干操纵，构建专用的量子模拟器，能帮助我们理解一些复杂物理系统规律，如高温超导的机理，量子霍尔效应等等。通过10至15年的努力，我们希望能够操纵上百万个量子比特，并实现量子纠错，初步构建可编程的通用量子计算机。