中國量子信息，何以自強不息

▲“墨子號”量子科學實驗衛星與“京滬幹線”骨幹網構建首個天地一體化廣域量子通信網絡雛形。中國科學院量子信息與量子科技創新研究院供圖

20年前，潘建偉團隊在中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）提出發射量子科學實驗衛星時，國際上許多學者認爲這並不現實——要把一個個單光子那麼微弱的信號，從1000公里外的太空送到地面，還要接收並探測它，難度太大了。

量子通信領域資深學者、瑞士日內瓦大學教授Nicolas Gisin甚至說：“我不認爲在我退休之前，哦不，在我有生之年能夠看到它實現。”

從“一個團隊”到“一個兵團”

僅靠中國科大一個團隊確實不行。

“但我們注意到，中國科大的核探測與核電子學國家重點實驗室有成熟的單光子電子學探測技術和調控技術，中國科學院上海技術物理研究所在空間光機終端系統方面有深厚積累。另外，中國科學院微小衛星創新研究院的衛星平臺可以滿足發射衛星的需求，中國科學院光電技術研究所的地面望遠鏡則能在信號接收方面提供保障。”中國科學院院士潘建偉說，從器件到載荷研發、從空間技術到地面光學技術等，中國科學院在各方面都有技術力量支撐。

在中國科學院的統一組織下，潘建偉團隊聯合各單位，通過有效整合科技力量，組織起了大兵團科研攻關。2016年8月16日，“墨子號”量子科學實驗衛星成功發射升空。

“墨子號”科學實驗任務的完成，使我國率先在國際上實現了星地量子通信；2017年，量子保密通信骨幹網絡“京滬幹線”正式開通，並與“墨子號”連接，實現世界首次洲際量子通信。

在量子計算領域，“九章”光量子計算原型機、“祖沖之二號”超導量子計算原型機先後實現“量子計算優越性”里程碑，使我國成爲目前唯一在兩種物理體系中都實現這一關鍵技術突破的國家。

“‘墨子號’、量子‘京滬幹線’‘九章’……量子科技領域這些極具代表性的成果，爲什麼都產生於中國科學院？因爲中國科學院有體系化建制化優勢。”潘建偉說。

經過多年佈局，我國量子科技發展進入了快車道。

2023年7月12日，“51個超導量子比特簇態製備和驗證”這一成果在《自然》在線發表。這項由中國科學院量子信息與量子科技創新研究院（以下簡稱創新院）和北京大學研究團隊合作完成的研究成果，刷新了所有物理體系中糾纏比特數目的紀錄，爲基於測量的量子計算方案走向實用奠定了基礎。

此前不久，來自中國科大、清華大學、濟南量子技術研究院、中國科學院上海微系統與信息技術研究所等單位的中國科學家通過合作，實現了千公里光纖點對點遠距離量子密鑰分發，創下了光纖無中繼量子密鑰分發距離的世界紀錄，爲城際量子通信高速率主幹鏈路提供了方案。該成果5月25日發表於《物理評論快報》。

量子信息領域的科研成果接連面世，是近10年來我國在量子科技領域取得長足進步的一個縮影。

與10年前相比，目前我國在量子調控和應用領域處於什麼水平？

“時至今日，我國的量子科技已經實現了從跟跑、並跑到部分領跑的歷史飛躍，量子通信研究穩居國際領先地位，量子計算研究牢固確立國際第一方陣地位，量子精密測量研究儘管整體上與國際領先水平尚存差距，但也有了大幅進步，在多個方向進入國際前列。”潘建偉告訴《中國科學報》。

從“對拍桌子”到“一起拍板”

在“墨子號”的具體實現階段，科學家與工程師在細節落實上，沒少對坐在會議桌前“拍桌子”。

潘建偉說，科學家希望追求更高的科學目標，想法更加大膽，工程上的穩定性可能會打折扣。而工程上爲了保證順利完成發射任務，希望把難度降低一些。工程師擔心，太激進的方案可能導致載荷等精密設備前一秒還在工作、下一秒就出問題。

“後來我們採取了一種做法，就是‘首席科學家+工程總指揮+工程總師’的決策組織模式。遇到分歧，大家一起拍板。”潘建偉說，“首席科學家+兩總”的模式，在類似科研任務中一直延續了下來。

算起來，這樣合作已經10多年了。“我想，未來還會繼續合作，可能一直到我們退休、下一代人退休……我覺得這是一個非常重要的經驗。”潘建偉說。

廣泛發動力量、加強協同合作，是我國能在量子科技領域持續進步的一大“法寶”。

爲解決科技體制與科技快速發展要求不相適應的問題，2016年，中國科學院在“率先行動”計劃下，專門成立了創新院。

中國科學院在北京、上海、合肥等地，擁有多個量子科技研發團隊和力量。而創新院的成立，讓不同單位、具有不同學科背景和專業知識的人與團隊能夠很好地協同創新。

科研經費投入到創新院，原單位的績效如何評估？貢獻如何排名？

潘建偉介紹，創新院每年會做出相應的統計並分發到各單位——在承擔國家重大任務時，儘管科研經費的運作是在創新院，但實際績效“工分”會記錄在各研究所；大家在創新院開展科研攻關，產出成果後，創新院可以列爲最後一個完成單位。

“可以說，較好地清除了協同攻關最大的一個體制機制障礙。”潘建偉說，在這個過程中，大家會感受到是爲了國家重大任務和重大需求而團結協作、幹事創業。

從“大膽起用年輕人”到“成爲主導力量”

2013年7月17日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平來到中國科學院考察工作之時，潘建偉作爲“中青年代表”參加了座談會。

“我在現場能感受到習近平總書記對量子科技的高度關注、對量子科技工作者的殷切期待。”10年後再回顧，潘建偉仍難掩激動。

在中國量子科技前進的路上，年輕的科學家一直被“大膽起用”，直到成爲主導力量。

“墨子號”量子科學實驗衛星在2011年12月進入工程研製階段時，擔任首席科學家的潘建偉41歲、擔任衛星系統副總設計師之一的彭承志35歲。

彭承志還記得，“墨子號”的原理性實驗開始於2003年。當時團隊想做量子科學實驗衛星的可行性驗證：量子糾纏能不能穿過大氣層？“潘老師覺得，量子通信的基本原理已經比較清晰，就想讓我去做量子保密通信的工程實現。”

當時，彭承志剛27歲，而且他原本是學電子學的。潘建偉說，“你工程能力強，大膽去試試”，並建議他“可以去大蜀山做”。

2013年，陸朝陽31歲。這年，陸朝陽跟着潘建偉去了一趟德國。回國後，他開始着手光量子計算方面的研究。經過7年努力，陸朝陽作爲主要完成人之一，成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，使我國成爲首個在光量子體系實現“量子計算優越性”里程碑的國家。

“我們對年輕人的態度是，只要年輕人能幹、願意幹，就放手讓他們去幹。”潘建偉說，“在摸爬滾打的實踐中，年輕人得到了成長。”

與此同時，潘建偉也一直鼓勵學科交叉。

趙博2001年7月畢業於中國科大近代物理系，一直到博士後出站，都是做理論物理方面的研究。2012年回國後，正趕上團隊認識到“超冷量子化學”的機理研究正在蓬勃發展、非常重要，於是他被潘建偉告知“你可能需要轉一下行”。

趙博二話沒說，一頭扎進這個領域，一鑽就是七八年。如今，他帶領的小組陸續在《自然》《科學》發論文，逐漸在國際超冷量子化學領域嶄露頭角。

“人才培養，就是爲國養才。國家有需要，我們就通過提拔年輕人、進行交叉與協同合作，取得前沿方向的突破。”潘建偉說。

事實上，潘建偉所在的中國科大，也不斷在量子科技人才培養模式上探索創新。

2021年，爲滿足量子科技人才培養的需要，中國科大設立了國內第一個量子信息科學本科專業；我國首個量子科學與技術方向的博士學位授權點也落戶中國科大；同年7月，中國科大“未來技術學院”正式成立，旨在面向量子科技發展對未來人才的需求，創新未來科技創新領軍人才培養模式，打造體系化、高層次量子科技人才培養平臺，造就一批未來能夠把握世界科技發展大勢、善於統籌協調的世界級科學家和領軍人才。

“一系列舉措就是爲了解決人才培養與隊伍建設的問題，希望能夠產生世界級大師，推動領軍人才的培養。”潘建偉說，經過10年努力，我國在量子科技領域已形成了一支體量適度、學科均衡的人才隊伍，“基本能滿足現階段量子科技發展的需要”。

從“開始調控量子世界”到“帶來新的產業革命”

潘建偉至今仍記得習近平總書記當年關於量子科技的論斷：科學家們開始調控量子世界，這將極大推動信息、能源、材料科學發展，帶來新的產業革命。

“我感到，‘科學家們開始調控量子世界’正在一步步變成現實。我們希望繼續通過10年至15年的努力，發展各種技術，去實現總書記‘將極大推動信息、能源、材料科學發展，帶來新的產業革命’的預言。”

面向未來，潘建偉向《中國科學報》展望了量子科技發展的圖景。

量子保密通信還可以更遠。“根據用戶提出的反饋，進一步提高它的速率、減少它的體積、降低它的成本，進一步推向實用。另外，希望把通信距離做得越來越遠。”潘建偉說，這需要用量子中繼的方式把相距遙遠的城市連接起來。

“目前，量子中繼尚處於應用基礎研究階段，相信10年後可以變成一種實用化的技術。”他對記者說，“在全球化量子通信方面，我們將構建由多顆低軌量子微納衛星組成的實用化‘量子星座’，第一顆量子微納衛星已於去年7月發射成功，後續我們還將發射這樣的低成本微納衛星。另外，我們將發射一顆中高軌量子科學實驗衛星，目前創新院正在緊鑼密鼓地開展工程研製，希望在2026年底具備發射條件。”

量子計算還可以更快。潘建偉說，希望用5年左右的時間，解決量子糾錯的問題，“進而實現數千個量子比特的相干操縱”。如此就可以構造出專用的量子模擬機，將來可以解決一些具有重大科學意義的、非常複雜且難以計算的問題，在此基礎上，他還希望通過10年到15年的努力，構造出可容錯的通用量子計算機。

量子精密測量還可以更準。潘建偉告訴記者，通過中高軌衛星的發射，希望能夠實現萬公里的洲際時頻比對。

“時間的同步很重要，比如，時間同步精度若能達到10-18秒——100億年只差一秒這樣的精度，將給時間單位‘秒’帶來全新的定義。”潘建偉說，隨着量子調控時代的到來，國際計量大會已形成決議，7個基本物理量都要用量子化方法重新定義。

“我們希望其中有中國的貢獻——通過開發一系列量子精密測量裝置，改變目前精密測量格局。”潘建偉說，這也是建設科技強國對我們的一個必然要求。

《中國科學報》 (2023-08-15 第1版 要聞)