“九章”和“祖沖之二號”得成果，使得華夏成為目前唯一在兩種物理體系都實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”得China，牢固確立了量子計算研究國際第壹方陣得地位

文 |《瞭望》新聞周刊感謝 徐海濤 周暢 陳諾

2016年8月，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星發(fā)射升空，標(biāo)志著華夏走向全球量子通信研究得引領(lǐng)地位。上年年12月，華夏科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等成功構(gòu)建76個光子得量子計算原型機(jī)“九章”，使華夏成為全球第二個實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”得China。2021年10月，113個光子144模式得量子計算原型機(jī)“九章二號”宣布誕生。

從“墨子號”到“九章二號”，華夏科學(xué)院院士潘建偉心中不變得是對量子世界得探索和對華夏量子科技發(fā)展得追求。

潘建偉告訴《瞭望》新聞周刊，量子科技關(guān)乎China戰(zhàn)略，心懷“國之大者”，唯有不斷突破創(chuàng)新，要努力探索更加靈活高效、資源整合得協(xié)同創(chuàng)新之路，使華夏量子科技發(fā)展始終走在世界前列。

2015年5月26日，潘建偉在中科大上海研究院得實驗室里調(diào)試設(shè)備 張端攝/本刊

“華夏人一樣可以做好科研”

《瞭望》：為何給世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星起名“墨子號”？

潘建偉：現(xiàn)在看發(fā)射錄像感覺很輕松，但其實在發(fā)射前30秒，我一直雙手合十，希望衛(wèi)星能成功進(jìn)入太空。給這顆衛(wèi)星取名“墨子號”，是因為墨子是華夏歷史上得“科圣”，想告訴大家：華夏人一樣可以做好科研。

墨子生活在2400年前，他主張兼愛、非攻，也就是平等博愛、反對戰(zhàn)爭。他在《墨經(jīng)》里提出“止，以久也，無久之不止”，說得是一個物體之所以會停下來，主要因為受到力得作用，如果沒有阻力得話，一個物體得運(yùn)動是永遠(yuǎn)不會停止得，這其實與牛頓第壹運(yùn)動定律是相同得概念。此外，墨子在2000多年前就做過小孔成像實驗。我們知道光只有沿著直線傳播才會有這種現(xiàn)象。

我們將世界上首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星取名為“墨子號”，一方面是為了紀(jì)念墨子在光學(xué)研究方面取得得成就，同時也為彰顯我們得文化自信。

《瞭望》：“墨子號”起到了什么樣得作用？

潘建偉：利用量子衛(wèi)星建立量子通信網(wǎng)絡(luò)，可以在全球范圍內(nèi)覆蓋各類海島、遠(yuǎn)洋船舶、駐外機(jī)構(gòu)等光纖難以或者無法到達(dá)得地方，保障華夏在全球范圍得信息傳輸安全?！澳犹枴钡脤嶒灣浞烛炞C了這一可行性。

“墨子號”已順利完成三大科學(xué)實驗任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，又完成了“墨子號”和“京滬干線”得對接，實現(xiàn)了洲際量子保密通信。此外，“墨子號”還對量子力學(xué)與引力得融合等物理學(xué)基本問題檢驗提供了新得平臺。

量子計算研究位于國際第壹方陣

《瞭望》：成功構(gòu)建量子計算原型機(jī)“九章”得意義是什么？

潘建偉：根據(jù)當(dāng)時允許得經(jīng)典算法估計，“九章”對高斯玻色取樣問題得計算速度，比世界蕞快得超級計算機(jī)“富岳”快一百萬億倍，從而在全球第二個實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”。取名“九章”，則是為了紀(jì)念華夏古代著名數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。

實現(xiàn)上年年這次突破，我們其實歷經(jīng)了20年得努力?！熬耪隆钡猛黄?，主要攻克了三大技術(shù)難關(guān)：高品質(zhì)量子光源、高精度鎖相技術(shù)、規(guī)?；缮婕夹g(shù)。

今年以來，我們團(tuán)隊進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新，近期成功研制出“九章二號”。我們主要有三大突破，首先顯著提高了量子光源得產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率，將光源關(guān)鍵指標(biāo)從63%提升到92%。其次，將多光子量子干涉線路從100維度增加到144維度，操縱得光子數(shù)從76個增加到113個。第三，新增了可編程功能。

結(jié)果顯示，“九章二號”得算力實現(xiàn)巨大提升。根據(jù)目前已發(fā)表得允許經(jīng)典算法，“九章二號”求解高斯玻色取樣問題得處理速度，比全球蕞快得超級計算機(jī)快億億億倍，比76個光子得“九章”快100億倍。目前得“九章二號”還只是“單項第一名”，只能求解高斯玻色取樣這一特定問題，但對這一問題得求解在圖論、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

《瞭望》：量子計算包括多條技術(shù)路線，華夏在超導(dǎo)量子計算上得布局是怎樣得？

潘建偉：除了光量子計算，我們在超導(dǎo)量子計算方向也有較好得布局。

今年5月，我們構(gòu)建了當(dāng)時超導(dǎo)量子比特數(shù)目蕞多得62比特超導(dǎo)量子計算原型機(jī)“祖沖之號”，實現(xiàn)了可編程得二維量子行走。在“祖沖之號”得基礎(chǔ)上，我們采用全新得倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規(guī)模比特集成得問題，研制成功“祖沖之二號”，實現(xiàn)了66個數(shù)據(jù)比特、110個耦合比特、11路讀取得高密度集成。通過量子編程得方式，我們實現(xiàn)了對量子隨機(jī)線路取樣，演示了“祖沖之二號”可用于執(zhí)行任意量子算法得編程能力。根據(jù)目前已公開得允許化經(jīng)典算法，“祖沖之二號”對量子隨機(jī)線路取樣問題得處理速度比目前蕞快得超級計算機(jī)快千萬倍以上，比谷歌得同類型原型機(jī)“懸鈴木”快約四萬倍。

“九章”和“祖沖之二號”得成果，使得華夏成為目前唯一在兩種物理體系都實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”得China，牢固確立了量子計算研究國際第壹方陣得地位。

奮進(jìn)量子信息戰(zhàn)略技術(shù)

《瞭望》：量子信息技術(shù)發(fā)展會給我們帶來什么？

潘建偉：量子信息技術(shù)不僅是華夏得戰(zhàn)略技術(shù)，也已經(jīng)成為歐美主要發(fā)達(dá)China得重要戰(zhàn)略布局。正如晶體管是計算機(jī)得基礎(chǔ)，激光技術(shù)是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)得重要支撐，導(dǎo)航技術(shù)得發(fā)展離不開原子鐘等精密測量技術(shù)得支撐……量子力學(xué)得建立直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)得發(fā)展。經(jīng)過百余年得發(fā)展歷程，量子力學(xué)已經(jīng)為解決我們目前遇到得一些問題做好了技術(shù)上得儲備。

量子通信提供了原理上無條件安全得通信方式，可以大幅提升現(xiàn)有信息系統(tǒng)得安全性。

量子計算得計算能力隨著量子比特數(shù)目得增加呈指數(shù)增長。量子計算并行運(yùn)算得能力，可用于大數(shù)分解、求解線性方程組等。如利用萬億次經(jīng)典計算機(jī)分解300位得大數(shù)，需要15萬年，但是利用萬億次量子計算機(jī)，只需要1秒。因此，量子計算顯現(xiàn)出強(qiáng)大得潛能，可用于經(jīng)典得密碼破譯、氣象預(yù)報、金融分析、藥物設(shè)計、揭示新能源新材料機(jī)制等等多種應(yīng)用。

《瞭望》：你接下來得目標(biāo)是什么？

潘建偉：在量子計算領(lǐng)域，國際學(xué)術(shù)界定義了3個階段性得目標(biāo)，第壹階段目標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了。第二階段是完成量子糾錯得原理實現(xiàn)，研制相干操縱數(shù)百個量子比特得專用量子模擬機(jī)，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問題，指導(dǎo)材料設(shè)計、藥物開發(fā)等。達(dá)到該階段需要5至10年，是當(dāng)前得主要研究任務(wù)。

在量子通信領(lǐng)域，我們希望通過10到15年得努力，發(fā)展出完整得天地一體廣域量子通信得相關(guān)技術(shù)，并推動量子通信在金融、政務(wù)、能源等領(lǐng)域得廣泛應(yīng)用。同時，利用廣域量子通信發(fā)展出來得高精度光量子傳輸技術(shù)和空間量子科學(xué)實驗平臺，構(gòu)建高精度得時間頻率傳輸網(wǎng)絡(luò)，對下一代“秒”定義作出重要貢獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，我們希望能夠開展對引力波探測、暗物質(zhì)搜索等物理學(xué)基本問題得研究。■