量子物理滿足了我對科學(xué)研究所有的幻想丨科學(xué)講壇

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽團(tuán)隊(duì)研制的新一代光量子計(jì)算原型機(jī)“九章四號”5月13日在《自然》雜志發(fā)表。研究團(tuán)隊(duì)估算 ， 若用目前全球最快的超級計(jì)算機(jī)El Capitan模擬其在25微秒內(nèi)的輸出，需耗時(shí)逾1042年，超出當(dāng)前估算宇宙年齡32個(gè)數(shù)量級。

從愛因斯坦對量子糾纏的“幽靈”之問，到“九章”“祖沖之號”等量子計(jì)算原型機(jī)接連刷新世界紀(jì)錄，量子科技正實(shí)現(xiàn)從理論猜想走向工程應(yīng)用的歷史性跨越。作為新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，量子領(lǐng)域的基礎(chǔ)突破與技術(shù)創(chuàng)新，正全面重塑計(jì)算、通信、感知與智能的邊界，引領(lǐng)數(shù)字文明加速邁向量子時(shí)代。

今日，中國科協(xié)之聲與您共同走進(jìn)國家科技傳播中心學(xué)術(shù)發(fā)展講堂，聽聽量子物理學(xué)家陸朝陽如何洞見量子技術(shù)的未來→

人物簡介

陸朝陽，量子物理學(xué)家，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)講席教授、世界青年科學(xué)家聯(lián)合會理事長。長期致力于面向?qū)嵱没牧孔有畔⒓夹g(shù)研究。

從第一次量子革命到第二次量子革命

量子力學(xué)誕生已有百余年，推動了兩次重要的技術(shù)變革。第一次量子革命催生了晶體管、激光、互聯(lián)網(wǎng)、核磁共振、LED等關(guān)鍵技術(shù)，深度融入現(xiàn)代生產(chǎn)生活。一部普通手機(jī)便集成了CCD、鋰電池、巨磁阻、石墨烯、晶體管等多項(xiàng)諾獎(jiǎng)級量子相關(guān)成果，改變了人類的生活與技術(shù)應(yīng)用形態(tài)。1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生的初代晶體管，歷經(jīng)數(shù)十年進(jìn)步，成為如今手機(jī)中數(shù)十到數(shù)百億個(gè)核心器件，這正是第一次量子革命的標(biāo)志性成果。

手機(jī)中包含的諾貝爾獎(jiǎng)

如今，量子計(jì)算成為第二次量子革命的核心組成部分，不僅是國家戰(zhàn)略重點(diǎn)布局領(lǐng)域，更成為全球科技博弈的焦點(diǎn)。歐洲、美國從國家層面到谷歌、IBM、微軟、英特爾、英偉達(dá)等全球知名科技公司，均加大了量子計(jì)算研發(fā)投入。近年來，我國在量子科技領(lǐng)域的快速突破，更是引起全球關(guān)注。

量子世界的底層邏輯：

顛覆經(jīng)典認(rèn)知的科學(xué)規(guī)律

量子的概念指的是物質(zhì)與能量離散化的基本單元，光的最小量子單元是光子，一個(gè)40瓦燈泡每秒可釋放萬億億個(gè)光子；組成人體與萬物的原子、分子，尺寸比納米還要小10至100倍，微觀尺度下的量子世界，遵循著與宏觀世界截然不同的規(guī)律。

經(jīng)典世界的運(yùn)動規(guī)律演示

量子相干疊加原理是量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)。單電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)直觀證明：無觀測時(shí)，單個(gè)電子可同時(shí)通過兩條狹縫，實(shí)現(xiàn)“自己與自己干涉”，呈現(xiàn)多條干涉條紋；量子比特可同時(shí)處于0和1的疊加態(tài)，如同孫悟空的分身術(shù)，打破經(jīng)典計(jì)算機(jī)“非0即1”的信息邏輯。經(jīng)典計(jì)算機(jī)需逐個(gè)計(jì)算，量子寄存器可同時(shí)存儲所有狀態(tài)并一次性完成計(jì)算，再通過特定的算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)量子干涉讀出結(jié)果。

量子比特的相干疊加態(tài)演示

量子測量中的塌縮效應(yīng)表明：觀測行為本身會影響量子態(tài)。不觀測時(shí)，粒子處于“同時(shí)通過兩條縫”的疊加態(tài)，呈現(xiàn)干涉條紋；一旦觀測，粒子被迫“選擇”其中一條路徑，塌縮為經(jīng)典結(jié)果，干涉條紋隨之消失。

愛因斯坦不愿相信這是量子世界的本質(zhì)規(guī)律，于是試圖設(shè)計(jì)一個(gè)“最小干擾”的思想實(shí)驗(yàn)——用一個(gè)極其靈敏的彈簧吊著狹縫，想在不干擾粒子的情況下檢測它從哪條路徑過去。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)去年的實(shí)驗(yàn)成功地用一個(gè)單原子檢測到了一個(gè)光子的微小動量變化，即8×10-28千克·米/秒，在量子極限層面驗(yàn)證了玻爾的互補(bǔ)性原理。

單原子實(shí)現(xiàn)反沖狹縫思想實(shí)驗(yàn)終結(jié)愛因斯坦與玻爾世紀(jì)之辯

1935年，薛定諤提出“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)，將量子疊加拓展至宏觀物體，進(jìn)一步引發(fā)學(xué)界思考，并和愛因斯坦等人獨(dú)立催生出量子糾纏這一關(guān)鍵概念：兩個(gè)糾纏粒子無論相距多遠(yuǎn)，都存在超時(shí)空關(guān)聯(lián)。

量子糾纏演示

我國物理學(xué)家吳健雄率先在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)量子糾纏。基于量子糾纏的量子隱形傳態(tài)，可實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的遠(yuǎn)距離傳輸，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)的多自由度量子隱形傳態(tài)，曾入選《Physics World》全球物理學(xué)年度突破，為量子計(jì)算與量子通信奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

“九章”系列突破：

中國光量子計(jì)算的跨越

物理學(xué)家費(fèi)曼早在1959年和1981年便提出構(gòu)想：在量子層面構(gòu)建新型計(jì)算裝置。2015年前后，摩爾定律放緩，晶體管尺寸逼近量子尺度，經(jīng)典算力遭遇瓶頸——費(fèi)曼的構(gòu)想由此成為量子計(jì)算探索之路的起點(diǎn)。

70年來晶體管尺寸變化和發(fā)展

谷歌耗資10億美元研發(fā)了53比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“懸鈴木”，宣稱200秒可完成超算一萬年的工作量，但中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和上海人工智能實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)典算法已將該任務(wù)耗時(shí)壓縮至17秒，并且能耗低15倍，打破了其量子優(yōu)越性宣稱。

在此背景下，我國的自主光量子計(jì)算路線攻克了量子光源、量子線路、單光子探測三大核心難題。我國團(tuán)隊(duì)突破高質(zhì)量高效率單光子源、高精度鎖相、多光子干涉等關(guān)鍵技術(shù)，集齊量子計(jì)算核心技術(shù)“龍珠”，接連實(shí)現(xiàn)重大突破：2020年底“九章一號”實(shí)現(xiàn)76個(gè)光子操控；半年后“九章二號”突破100個(gè)光子；2023年“九章三號”達(dá)到255個(gè)光子；目前“九章四號”已完成3000多光子實(shí)驗(yàn)，25微秒即可解決超算需要1042年才能完成的高斯玻色取樣任務(wù)。“九章”系列成果十余次入選聯(lián)合國教科文組織、美國物理學(xué)會、德國Falling Walls等機(jī)構(gòu)年度十大進(jìn)展，處于國際領(lǐng)先水平，引發(fā)美國、加拿大、德國等科學(xué)家跟進(jìn)研究。

陸朝陽講解光量子信息領(lǐng)域發(fā)展

同時(shí)，我國在中性原子量子計(jì)算領(lǐng)域也取得關(guān)鍵進(jìn)展：兩比特門保真度達(dá)到99.8%的國際水平，實(shí)現(xiàn)2000多個(gè)物理比特的規(guī)模化操控，為通用量子計(jì)算積累了技術(shù)基礎(chǔ)。

量子計(jì)算的戰(zhàn)略價(jià)值：

Q-day（量子日）與密碼安全

量子計(jì)算最核心的戰(zhàn)略價(jià)值，在于對全球密碼體系的顛覆性影響。陸朝陽表示，一旦大規(guī)模容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)問世，現(xiàn)有公鑰RSA（公鑰加密算法）和橢圓加密算法將被徹底破解，直接動搖金融、政府通信、區(qū)塊鏈甚至部分軍事網(wǎng)絡(luò)的安全根基。目前，多國情報(bào)機(jī)構(gòu)已開始“先存儲密文、后量子破解”，提前攔截存儲數(shù)據(jù)，等待量子技術(shù)成熟后解密。

根據(jù)對全球50多位量子計(jì)算專家調(diào)查顯示，約十年后出現(xiàn)可破解RSA（公鑰加密算法）的量子計(jì)算機(jī)的概率約為50%，相關(guān)預(yù)測時(shí)間不斷提前。破解所需物理比特資源不斷縮減：從最初的10億個(gè)逐步減少，最新研究甚至提出僅需1萬個(gè)。我個(gè)人預(yù)測，破解橢圓加密算法約需7年，破解RSA算法約需10年。

當(dāng)前量子計(jì)算發(fā)展的核心挑戰(zhàn)不在比特?cái)?shù)量，而在比特質(zhì)量。即便兩比特門保真度達(dá)到99.8%，經(jīng)過多比特、多層邏輯門運(yùn)算后，量子態(tài)保真度會出現(xiàn)指數(shù)級衰減。谷歌等團(tuán)隊(duì)已通過量子糾錯(cuò)實(shí)現(xiàn)了指數(shù)級錯(cuò)誤率壓制，我國在中性原子量子糾錯(cuò)、高保真度比特操控上也取得了突破，逐步向容錯(cuò)通用量子計(jì)算穩(wěn)步邁進(jìn)。

產(chǎn)業(yè)發(fā)展需保持理性，堅(jiān)守核心方向

當(dāng)前量子計(jì)算基礎(chǔ)研究快速發(fā)展，然而市場上出現(xiàn)了量子速讀、量子水、量子鞋墊等偽量子概念產(chǎn)品，部分量子計(jì)算初創(chuàng)企業(yè)在量子應(yīng)用方面夸大宣傳，宣稱量子產(chǎn)品已可應(yīng)用于人工智能、金融、醫(yī)療等領(lǐng)域，這些宣稱目前還沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)證明。目前，量子計(jì)算仍處于專用化發(fā)展初期，僅能解決特定數(shù)學(xué)問題，過度炒作與資本盲目入局會導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)泡沫化，破壞健康生態(tài)。

量子計(jì)算發(fā)展趨勢

量子計(jì)算發(fā)展的核心戰(zhàn)略價(jià)值，一是保障國家密碼安全，應(yīng)對量子破解帶來的安全挑戰(zhàn)；二是開展強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體物理系統(tǒng)的量子模擬，服務(wù)基礎(chǔ)科研與產(chǎn)業(yè)升級。產(chǎn)業(yè)界應(yīng)聚焦核心技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)、成果轉(zhuǎn)化的良性生態(tài)，摒棄短期功利主義和虛假宣傳。

人工智能賦能量子科技已成為重要方向。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和上海人工智能實(shí)驗(yàn)室首次利用AI實(shí)現(xiàn)了中性原子量子計(jì)算的常數(shù)時(shí)間重排，無論比特?cái)?shù)量多少，重排時(shí)間都保持恒定，該成果入選國際物理學(xué)年度進(jìn)展，為量子計(jì)算規(guī)模化發(fā)展提供全新技術(shù)路徑。

青年人才是量子科技發(fā)展的核心支撐

我在大學(xué)時(shí)也很迷茫，嘗試了各種各樣的專業(yè)，后來聽了潘建偉教授的科普報(bào)告，其展示的量子物理發(fā)展前景，滿足了我對科學(xué)研究所有的幻想，才選擇了這個(gè)學(xué)科。科學(xué)研究我們經(jīng)常說要頂天立地，像量子物理，可以拓展人類對物理學(xué)、對大自然認(rèn)知的邊界，所以它是頂天；同時(shí)，我們可以看到量子計(jì)算又有很多實(shí)際的落地應(yīng)用，所以就是立地。

中國擁有世界上最大規(guī)模、最高素質(zhì)的青年科研人才和工程人才，是我們參與國際競爭的堅(jiān)實(shí)底氣。“九章一號”研發(fā)主力為90后、95后，“九章二號”“九章三號”以95后、00后為主，“九章四號”已由00后科研人員主導(dǎo)。未來量子計(jì)算大規(guī)模應(yīng)用要依靠年輕的10后、20后在座聽眾甚至更小的一代。

2000年初時(shí)，大家覺得量子計(jì)算很科幻，需要50年才能發(fā)展起來，但是我們往往會高估未來一年能做的事，低估未來十年能做的事。2015年我們獲得國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)時(shí)，做到了8個(gè)光子的水平，當(dāng)時(shí)有記者問，再過五年你們能做到什么水平？我們當(dāng)時(shí)壯著膽子、鼓起勇氣說希望能做到20個(gè)光子，但是2020年做到了100個(gè)，現(xiàn)在又做到了3000個(gè)。量子計(jì)算目前也處于加速發(fā)展態(tài)勢，我們也都越來越有信心。

對談環(huán)節(jié)，由陸朝陽擔(dān)任學(xué)術(shù)主持人，與北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心長聘教授尹璋琦、清華大學(xué)交叉信息研究院長聘副教授鄧東靈、中電信量子信息科技集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理王振一起，圍繞量子科技前沿突破、產(chǎn)業(yè)落地路徑與青年人才培養(yǎng)等展開深度對談。

宏觀量子疊加的邊界與理性產(chǎn)業(yè)投資

尹璋琦圍繞量子與經(jīng)典的邊界展開分享。他介紹了團(tuán)隊(duì)將細(xì)菌等生物體引入量子疊加態(tài)的研究工作，表示目前能夠?qū)崿F(xiàn)量子疊加的有機(jī)分子已達(dá)到數(shù)千上萬個(gè)原子的尺度，更大尺度下可能會受到引力等因素的影響。他預(yù)測2035年可實(shí)現(xiàn)RSA（公鑰加密算法）密碼破解，并期待量子計(jì)算助力新藥研發(fā)、降低醫(yī)療成本。

關(guān)于產(chǎn)業(yè)投資方面，他建議產(chǎn)業(yè)界保持冷靜，多關(guān)注測控系統(tǒng)、軟件工具等通用底層技術(shù)，給整個(gè)研究領(lǐng)域賦能，支撐未來十年的發(fā)展。

專家就量子疊加的邊界問題展開交流

量子計(jì)算規(guī)模化沒有原則性障礙，

技術(shù)路線尚未收斂

鄧東靈聚焦量子計(jì)算規(guī)模化與量子人工智能發(fā)展，他表示量子系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大的主要挑戰(zhàn)是退相干效應(yīng)，但從原理上看，大規(guī)模擴(kuò)大量子計(jì)算機(jī)不存在根本性障礙，目前各類量子計(jì)算技術(shù)路線仍未收斂。量子與人工智能的融合具有廣闊前景，量子技術(shù)能夠在信息存儲、自動證明、算力能耗、數(shù)據(jù)安全等方面提供新的解決方案。

他期待量子日到來后能夠出現(xiàn)安全節(jié)能、本地算力充足的量子智能體，同時(shí)呼吁產(chǎn)業(yè)界理性投資，杜絕夸大宣傳和虛假炒作。

專家就Q-day何時(shí)到來展開討論

量子產(chǎn)業(yè)是“未來產(chǎn)業(yè)”，

資本需保持理性自律

王振評估約四年后將迎來量子安全關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，主張?zhí)崆伴_展密碼遷移和防御布局。他表示量子產(chǎn)業(yè)屬于國家重點(diǎn)布局的未來產(chǎn)業(yè)，技術(shù)路線仍在持續(xù)演進(jìn)，產(chǎn)業(yè)整體尚處于培育成長階段。產(chǎn)業(yè)發(fā)展面對熱潮既要抓住機(jī)遇，也要保持冷靜自律，堅(jiān)決抵制過度宣傳、虛假炒作，避免資本泡沫。

在人才需求上，王振認(rèn)為產(chǎn)業(yè)界最需要具備強(qiáng)烈好奇心與內(nèi)在自驅(qū)力的人才。他還建議提前構(gòu)建量子、超算、智算相融合的算力體系，為量子算力的到來做好準(zhǔn)備。

中電信量子信息科技集團(tuán)有限公司副總經(jīng)理王振交流觀點(diǎn)

活動現(xiàn)場還有百余名來自相關(guān)高校、院所的大學(xué)生、研究生和中國科協(xié)青培工程入選者參加，并與嘉賓進(jìn)行了熱烈交流。

光量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化還有哪些卡脖子問題？最可能落地的是光量子計(jì)算機(jī)嗎？

陸朝陽

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)講席教授

世界青年科學(xué)家聯(lián)合會理事長

光量子計(jì)算機(jī)屬于專用量子計(jì)算，主要解決高斯玻色取樣等特定數(shù)學(xué)問題，作為一種插件或加速卡。下一步走向通用容錯(cuò)量子計(jì)算，最核心的技術(shù)瓶頸是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立單光子之間的確定性相互作用，目前國際上只有我國團(tuán)隊(duì)在開展探索研究，突破后有望實(shí)現(xiàn)室溫光量子計(jì)算機(jī)及與量子互聯(lián)網(wǎng)兼容的分布式計(jì)算。

鄧東靈

清華大學(xué)交叉信息研究院長聘副教授

光量子計(jì)算在玻色取樣、生成式模型等專用場景上具備明顯優(yōu)勢，但要實(shí)現(xiàn)通用化應(yīng)用，仍需攻克光子間相互作用這一難題，目前量子計(jì)算的技術(shù)路線還沒有最終收斂，包括光量子在內(nèi)的多種技術(shù)路線都有率先落地的可能性。

量子計(jì)算和量子精密測量如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、工程化的應(yīng)用？

尹璋琦

北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心長聘教授

量子精密測量是量子科技中落地最早的領(lǐng)域。原子鐘已經(jīng)商用，原子磁力計(jì)、量子陀螺儀等可用于地質(zhì)勘探和導(dǎo)航。在生命健康領(lǐng)域，金剛石色心技術(shù)可將生物探測精度提升至單細(xì)胞尺度，國內(nèi)多個(gè)公司已在這方面做了很多產(chǎn)業(yè)化工作。

國家科技傳播中心學(xué)術(shù)發(fā)展講堂

國家科技傳播中心學(xué)術(shù)發(fā)展講堂是中國科協(xié)著力打造的一檔學(xué)術(shù)欄目，突出前沿性、思辨性和傳播性，面向科技工作者尤其是青年科技工作者，傳播學(xué)術(shù)領(lǐng)域的前沿發(fā)展動態(tài)。講堂持續(xù)邀請戰(zhàn)略科學(xué)家、一流科技領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，講述突破傳統(tǒng)的前沿探索、卓有成效的改進(jìn)方法、顛覆認(rèn)知的創(chuàng)新理論以及改寫行業(yè)規(guī)則的研究成果。

（以上為報(bào)告節(jié)選，觀看完整視頻請關(guān)注中國科協(xié)之聲、國家科技傳播中心微信視頻號）

供　　稿：中國科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心

責(zé)　　編：鄧涵文

審　　核：張敬一

值班編委：宋玉榮

文章轉(zhuǎn)載自“中國科協(xié)之聲”公眾號