攻克多項世界難題，讓中國量子技術世界第一的潘建偉究竟多牛

1946年世界第一臺計算機“ENIAC”誕生，由此掀起了世界第三次工業革命——電子信息科技革命，而隨着科技的進步與發展，在遵循“摩爾定律”飛速前行了數十年之後，制約其進一步發展的系列問題日漸凸顯。科學家開始思考第四次工業革命的突破口會是哪裡，其中，量子科技被科學家認爲將成爲第四次工業革命的引擎，引爆第四次工業革命。

量子技術全稱爲爲量子信息技術，是量子物理與信息技術相結合發展起來的新學科,主要包括量子通信和量子計算2個領域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態、遠距離量子通信的技術等等;量子計算主要研究量子計算機和適合於量子計算機的量子算法。

加拿大滑鐵盧大學的量子技術專家延內魏因說：“國際上確實存在量子科研競賽。這個中國團隊已克服了好幾個重大技術與科學挑戰，清楚地表明瞭他們在量子通信領域處於世界領先地位。”

2016年，英國政府發佈的《量子時代的技術機遇》報告顯示，中國量子科技的論文發表排在全球第一、專利應用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段，中國異軍突起進入“領跑陣營”。

這個團隊指的就是潘建偉團隊，中國的量子技術是全世界第一，而這其中要多虧了潘建偉教授。

29歲攻克世界性難題的少年天才

潘建偉1970年出生於農村，從小跟着外婆長大，可是潘建偉的成績卻很好，1987年，17歲的潘建偉考入了中國科學技術大學近代物理系。

在中國科學技術大學求學期間，那時潘建偉很“傲氣”，想着不用留學，就在國內出成績。然而當時國內條件差，做實驗，儀器不全；搞理論，僅中國科學院物理所有較完整的國際物理學期刊，更缺少參加國際會議的經費。他意識到，必須邁出國門求學。

1996年，得益於改革開放，潘建偉留學奧地利，第一次見到了導師蔡林格教授。當時，導師問潘建偉以後有什麼打算，潘建偉回答：“我想要在中國建一個和您實驗室一樣世界領先的量子物理實驗室。”

1999年，年僅29歲的潘建偉作爲第二作者的量子態隱形傳輸實驗取得量子信息實驗領域突破性進展，利用“量子糾纏”技術，藉助衛星網絡、光纖網絡等經典信道，傳輸量子態攜帶的量子信息。量子態隱形傳輸是一種全新的通信方式，它傳輸的不再是經典信息而是量子態攜帶的量子信息，是未來量子通信網絡的核心要素。

早在1997年的時候，蔡林格小組在室內首次完成了量子態隱形傳輸的原理性實驗驗證，而1999年，潘建偉參與的的量子態隱形傳輸實驗更是被被公認爲量子信息實驗領域的開山之作，

英國物理學會將其評爲世界物理學年度十大進展，美國《科學》雜誌列爲年度全球十大科技進展。

不久，潘建偉的母校中科大時任校長朱清時向他發出回國邀請，可以博士畢業生身份破格任教授。

朱校長的邀請讓潘建偉非常感動，並且回國做貢獻本是初心。在這位開明校長的愛護下，他一方面繼續在歐洲做科研，另一方面，從2001年起籌建中科大量子物理與量子信息實驗室。

在潘建偉的領導下，中國的量子技術開始領先世界，全球第一。

量子通信：墨子號成全球首個量子通信衛星

量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。在微觀世界裡，兩個糾纏的粒子可以超越空間進行瞬時作用。也就是說，一個糾纏粒子在地球上，另一個糾纏粒子在月球上，只要對地球上的粒子進行測量，發現它的自旋爲下，那麼遠在月球上的另一個糾纏粒子的自旋必然爲上。

利用這個特性實現光量子通信的過程如下：事先構建一對具有糾纏態的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態的粒子與發送方的粒子進行聯合測量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發生坍塌（變化），坍塌（變化）爲某種狀態，這個狀態與發送方的粒子坍塌（變化）後的狀態是對稱的，然後將聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換（相當於逆轉變換），即可得到與發送方完全相同的未知量子態。

量子通信要求光源發射單光子，因爲單光子的量子狀態不可複製、不可竊聽。由於單光子不可分割、不可複製，不能像傳統通信那樣進行復制放大，所以百公里幾乎已成量子通信的極限。

潘建偉從研究生開始就已經開始轉專研量子通信，他有關實現量子隱形傳態的研究成果入選美國《科學》雜誌“年度十大科技進展”，並同倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論等影響世界的重大研究成果一起被《自然》雜誌選爲“百年物理學21篇經典論文”。

從2003年開始，潘建偉團隊就已經開始立項研究，2007年，潘建偉團隊在量子通信研究方面取得重要突破，成爲在國際上首次實現百公里量級安全量子通信的3個團隊之一。2008年秋天，潘建偉團隊在合肥建立了世界上第一個光量子電話網，實現了“一次一密”加密方式的實時網絡通話。2012年，潘建偉團隊在合肥市建成了世界上首個覆蓋整個合肥城區的規模化（46個節點）量子通信網絡，標誌着大容量的城域量子通信網絡技術已經成熟。

然而，目前已經建好的通信網絡都是通過光纖輸運光子，光纖對光子的固有損耗就限制了量子通信的距離只能在百公里級。如果想進一步實現遠距離的量子通信，就需要量子衛星了。將光子發射到太空中通過衛星中轉，光子只需要穿過10公里厚的大氣層，損耗很小，就可能實現全球化的量子通信網絡。

也就是說高損耗的地面成功傳輸100公里，意味着在低損耗的太空傳輸距離將可以達到1000公里以上。

所以，中國開始研究量子衛星，2016年，墨子號量子衛星成功發射。中國科學家15日（當地時間）在美國《科學》雜誌上報告說，中國“墨子號”量子衛星在世界上首次實現千公里量級的量子糾纏，這意味着量子通信向實用邁出一大步。

《自然》重大科學事件評價稱：“國際同行們正在努力追趕中國，中國現在顯然是衛星量子通信的世界領導者。

2017年，中國利用“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發，並在此基礎上實現了空間尺度下嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗。

此次實驗還成功解決了愛因斯坦與玻爾領導的哥本哈根學派60年未決的EPR之爭，證實了玻爾的正確性。

這一重要成果爲未來開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。

正因爲此，《科學》雜誌幾位審稿人稱讚該成果是“兼具潛在實際現實應用和基礎科學研究重要性的重大技術突破”並斷言 “絕對毫無疑問將在學術界和廣大的社會公衆中產生非常巨大影響”。

從2003年參與項目開始算起，團隊用14年的努力做到了世界第一，領先世界。

在軍事領域，量子衛星將徹底杜絕間諜竊聽及破解的保密通信技術，抗衡外國的網絡攻擊與防禦能力，要知道在未來軍事作戰就靠的是獲取信息的多少，打得是信息戰，而量子衛星將徹底杜絕美國獲取我方情報。

而量子衛星也可以民用，潘建偉預期，通過10至15年左右的努力，中國有望率先建成一個全球化的量子通信衛星網絡，量子通信可望服務千家萬戶。

量子計算，中國再次領跑世界

量子計算機爲什麼遠勝過超級計算機，因爲不論是小巧的智能手機，還是大型的超級計算機，他們的基本工作原理都是一樣的，都是按照一定規則處理“0、1”二進制數據。所有文字、圖片、視頻等信息，在計算機中都可以用“0、1”數據來表示。例如，字母A在計算機裡就表示爲：01000001，每一位0或者1都被稱爲一個比特。

在傳統計算機中，一個比特在某次計算中要麼是0，要麼是1，只能表示爲一個狀態。

而如果藉由前面所提到的量子疊加態概念，量子疊加態是指粒子可以存在於疊加態中，能同時擁有兩個相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。儘管我們在日常生活中常常面對“不是A就是B”的抉擇，而但在微觀世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的。

用量子來做計算機的比特，則一個“量子比特”可以同時既爲1，也爲0。以10個比特爲例，傳統計算機一次只能表示0至1023這1024個數中的某一個數（2的10次方爲1024），若這10個比特爲量子比特，則每一個比特都可同時表示爲0和1，這10個比特可以同時表示1024個數，遠遠高於傳統計算機只能表示一個數的水平。

因此，量子計算機將能夠極大地提升運算能力，對於有着超高複雜度的問題將有着不可替代的優勢。

量子計算機將會運用於核試爆、高新技術武器模擬、戰爭設計和模擬、情報獲取和分析等軍事領域，還有在民生領域，如氣候預測、疾病醫療、石油勘測、材料科學與計算納米技術等等。將推動世界科技的大躍進。所以全世界都想掌握量子計算機。

量子計算研究的第一個階段性目標是實現“量子計算優越性”(亦譯爲“量子霸權”)，即研製出量子計算原型機在特定任務的求解方面超越經典的超級計算機。利用超導量子比特實現隨機線路取樣和利用光子實現玻色取樣是目前國際學術界公認的演示量子計算優越性的兩大途徑。

1、利用光子實現玻色取樣

線性光學量子計算是量子計算的方案之一。所謂線性光學量子計算，就是以光子作爲載體，經過一個線性系統完成操作，輸出計算結果。實現大規模比特的通用量子計算機目前看來還具有很苛刻的門檻，於是，科學家希望能夠首先讓量子計算在特定任務上表現出比經典計算機更卓越的能力，許多科學家將目光瞄準了玻色取樣上。

“玻色取樣”是指，在n個全同玻色子經過一個干涉儀後，對n個玻色子的整個輸出態空間進行採樣的問題。採樣過程和分佈概率息息相關。

科學家經過研究發現，n光子“玻色取樣”的分佈概率正比於n維矩陣積和式（Permanent）的模方，從計算複雜度的角度來看，積和式的求解難度是“#P-hard”，當前經典最優算法需要O(n2n)步，隨着光子數的增加求解步數呈指數上漲。對於這樣一個經典計算#P-complete困難的問題，在中小規模下就可以打敗超級計算機。

所以玻色取樣就成爲了實現量子計算的兩大途徑之一，對於玻色取樣任務來說，驗證其是否從正確的分佈中採樣是至關重要的。目前而言，完全驗證還難以做到，因爲對於具有量子優勢的實驗來說，經典模擬的計算量將是指數級增長的，無法對大規模的實驗進行驗證。

2017年5月3日，世界科技界爲之側目，世界上第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機誕生。這個“世界首臺”量子計算機是貨真價實的“中國造”，屬中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組攻關突破的成果。

這是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機，爲最終實現超越經典超級計算能力的量子計算這一國際學術界稱之爲“量子稱霸”的目標，奠定了堅實的基礎。

在此基礎上，中國科大研究組從而利用自主發展的國際最高效率和最高品質單光子源、最大規模和最高透過率的多通道光學干涉儀，並通過與中科院上海微系統與信息技術研究所尤立星在超導納米線高效率單光子探測器方面的合作，成功實現了20光子輸入60×60模式(60個輸入口，60層的線路深度，包括396個分束器和108個反射鏡)干涉線路的玻色取樣實驗。

實驗成功操縱的單光子數增加了5倍，模式數增加了5倍，取樣速率提高了6萬倍，輸出態空間維數提高了百億倍。其中，由於多光子高模式特性，輸出態空間達到了三百七十萬億維數，這等效於48個量子比特展開的希爾伯特空間。因此，實驗首次將玻色取樣推進到一個全新的區域：無法通過經典計算機直接全面驗證該玻色色取樣量子計算原型機，朝着演示量子計算優越性的科學目標邁出了關鍵的一步。

美國物理學會Physics網站對該工作的總結指出：“這意味着量子計算領域的一個里程碑：接近經典計算機不能模擬量子系統的地步”

據潘建偉透露，有希望到2020年實現“量子稱霸”，也就是超越目前最快的超級計算機。

2、利用超導量子比特實現隨機線路取樣

2019年4月，中國科大潘建偉團隊實現了國際上最大規模超導量子比特糾纏態12比特“簇態”的製備。

而要實現多個量子比特的糾纏，需要實驗的每個環節（量子態的品質、操控和測量）都保持極高的技術水平，並且隨着量子比特數目的增加，噪聲和串擾等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對多量子體系的設計、加工和調控帶來了巨大的挑戰。

潘建偉教授及其同事朱曉波、陸朝陽、彭承志等通過設計和加工了高品質的12比特一維鏈超導比特芯片，並且採用並行邏輯門操作方式避免比特間的串擾，以及熱循環操作去除不需要的二能級系統對於比特性能的影響，首次製備並驗證了12個超導比特的真糾纏，保真度達到70%，打破了2017年由中國科大、浙江大學、物理所聯合研究組創造的10個超導量子比特糾纏的記錄。這也是目前固態量子系統中規模最大的多體糾纏態，可爲下一步實現大規模隨機線路採樣和可擴展單向量子計算奠定基礎。

要知道，正因爲作出如此卓越的成就，潘建偉教授35歲就斬獲了世界大獎——菲涅爾獎，這個獎項每兩年頒發一次，主要授予在量子電子學和量子光學領域做出傑出貢獻的青年科學家。41歲就成爲了院士，而作出如此多卓越的成就，潘建偉教授今年也才49歲，正處於科研的巔峰時期。

讓我們一起向潘建偉教授致敬，希望他可以作出更多卓越的成果。