“参观完展览，我很震撼，量子技术的应用已经如此广泛了，很多成果得到了转化。这让我们从事量子前沿研究的科研人员有了更大信心。”在近日于合肥召开的2024量子科技和产业大会上，中国科学院院士、中国科学技术大学（以下简称中国科大）教授潘建伟如是说。
开幕式上，潘建伟作了题为《量子信息科技发展的现状与展望》的主题报告。他表示：“我国在量子通信领域占据国际引领地位，在量子计算领域处于国际第一方阵，在量子精密测量领域部分方向处于国际领先或先进水平。”
与此同时，他特别希望与科研院所、高校、企业的优势力量一起，推进量子信息科技关键材料器件设备的国产化研发，提升自主创新体系化能力。
应运而生的量子信息科学
从伦琴发现X射线、普朗克提出量子论、爱因斯坦提出光量子概念，到现代量子理论的诞生……量子力学至今发展已逾百年。
“从某种意义上讲，无论是能源科学、信息科学，还是生命科学、材料科学，很大程度上都得益于量子力学的建立。”潘建伟表示，量子科技革命直接催生了现代信息技术的诞生。比如，没有量子力学，就不会有半导体，也不会有现代的通用计算机；没有激光，就不会有光通信与互联网；没有原子钟，就不会有卫星定位系统。
然而，信息科技的进一步发展面临两大问题。一是信息安全传输问题。历史经验告诉人们，依赖计算复杂度的经典加密算法，原理上都能被破解。正如著名作家爱伦·坡在100多年前所写的那样，“以人类的才智无法构造人类自身不可破解的密码”。潘建伟说：“这说明人类不够聪明，无法构造出不能被破解的密码，或者说人类太聪明，可以破译所有密码。”
另一个问题是随着大数据时代的到来，人类对计算能力的需求巨大，但是现有的计算能力却相当有限。
“非常有意思的是，量子力学在百余年的发展过程中，已经为解决这些重大问题做好了准备。”潘建伟介绍，科学家在对量子叠加、量子纠缠这类现象进行实验检验的过程中，逐渐发展出对量子状态进行主动精确操纵的能力，从而催生出量子信息科学。量子信息科学主要包括3个方向——量子通信、量子计算与模拟以及量子精密测量。
潘建伟表示：“量子信息技术的目标就是为构筑‘量子互联网’奠定技术基础，利用量子感知获取整个物理世界的各种信息，用量子通信进行信息的安全传输，用量子计算实现信息的高速处理，形成自主可控的未来信息技术体系。”
我国量子信息科技发展现状
在量子通信方面，截至2023年，我国已实现光纤点对点量子保密通信最远安全距离突破1000公里；利用可信中继手段，我国先后建立了远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”、国家广域量子保密通信骨干网。2016年8月，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射，在国际上率先实现千公里级星地量子通信。“墨子号”结合“京沪干线”，构建了全球首个天地一体广域量子通信网络的雏形。
在量子计算方面，国际学术界公认有3个里程碑阶段，一是实现量子计算优越性，即量子计算机对特定问题的计算能力超过超级计算机；二是实现专用量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的实用问题，同时突破量子纠错技术；三是将量子比特的操纵精度提高到超越容错阈值的基础上，相干操纵至少数百万个量子比特，实现可编程的容错通用量子计算机。
2020年，中国科大研究团队设计和构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，这是国际上首个被严格证明具有“量子计算优越性”的工作。2021年，113个光子的量子计算原型机“九章二号”诞生，处理速度比超级计算机快100亿倍。2023年，255个光子的量子计算原型机“九章三号”面世，处理速度比超级计算机快亿亿倍。
“正在测试中的‘九章四号’已超过2000个光子，计算能力将更强。”潘建伟透露。
此外，中国科大研究团队先后构建了62个比特的“祖冲之号”超导量子计算原型机、66个比特的“祖冲之二号”超导量子计算原型机，使我国成为目前唯一在两种物理体系上都实现了“量子计算优越性”的国家。
12月17日，潘建伟团队构建的“祖冲之三号”超导量子计算处理器公布在arxiv上。“祖冲之三号”处理随机线性采样的速度可超过目前最快的超级计算机“前沿”1000万亿倍，超过谷歌今年10月发表于《自然》的最新进展——72比特“悬铃木”处理器6个数量级，为目前公开发表的超导量子计算最强优越性。
在量子纠错方面，最近，谷歌利用105比特超导量子处理器“垂柳”，初步验证了表面码方案的可扩展性。据了解，“祖冲之三号”处理器各项性能指标与谷歌“垂柳”处理器相当，潘建伟团队正基于“祖冲之三号”开展相关工作，将实现更大规模的表面码纠错。
“当前的主要研究任务是研制专用量子计算模拟机，用于解决量子化学、高温超导机理等重要科学问题。”潘建伟说，他们已经在这一方向取得了重要进展，如2024年成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器“天元”，首次展现了量子模拟在解决经典计算机无法胜任的重要科学问题上的巨大优势。
“要真正实现通用容错量子计算机，至少还需10余年甚至20年时间。”潘建伟说，要实现通用容错量子计算机需要相干操纵至少上百万量子比特，目前量子计算的研究重点之一就是突破量子纠错技术，为量子比特的大规模集成和操纵铺平道路。
在量子精密测量方面，如在时间标准上，中国科大研究团队扮演了重要角色，研制出70亿年误差不超过一秒的光钟，使我国成为继美国之后第二个达到该综合指标的国家。
力争在国际科技竞争中抢得先机
展望未来，潘建伟认为，在量子通信方面，量子中继连接的城际量子通信网络，经过10年左右的发展可走向实际应用；基于卫星平台的远距离量子通信，将通过多颗微纳量子卫星构成的“量子星座”以及具有更长过境时间的中高轨道卫星，实现高效率的量子卫星网络，从而构建完整的天地一体广域量子通信网络体系。
广域量子通信网络为精密测量提供了全新平台。“2027年前后，中高轨量子卫星将具备发射条件，可以实现万公里级量子纠缠分发。这将带来有意思的应用，例如可以构建一种非常精确的望远镜——量子增强的光学合成孔径望远镜，大幅提升空间分辨能力。”潘建伟说。
潘建伟希望，通过10至15年的努力，研制出精度达到10-21的高精度光钟，这相当于10万亿年误差不超过1秒，它将为探测中低频段的引力波、搜寻暗物质等物理学基本原理的检验提供一种全新手段。
在量子计算方面，谷歌、IBM以及英国和法国政府都提出在2035年前后实现100万个量子比特相干操纵的目标。“我国正在编制的国家量子科技相关规划中，也提出了同样的目标。”潘建伟说，未来3至5年，将实现数百至上千个量子比特的相干操纵，解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题；在未来10至15年，将在量子纠错基础上相干操纵上百万量子比特，研制具备基本功能的容错通用量子计算机，探索对密码分析、大数据分析等的应用。
“在量子信息科技领域，我国和美国等世界强国站在了同一起跑线上，它是国际科技竞争中我国最有条件、最有基础、最有可能拔得头筹和抢得先机的重要科技领域。”潘建伟表示，“在国家的战略部署下，我们有信心、有决心、有能力保障我国在日趋激烈的量子信息科技国际竞争中保持和扩大领先优势，赢得战略主动。”
文章来源：中国科学报
