來(lái)源：新智元中國(guó)科學(xué)家在光量子領(lǐng)域取得突破！近日，中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉等人與德國(guó)、荷蘭的科學(xué)家合作，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，在四大關(guān)鍵指標(biāo)上均大幅刷新國(guó)際記錄，逼近實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算研究的重要目標(biāo)“量子霸權(quán)”。

　　國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》日前以“編輯推薦”的形式發(fā)表了該成果，審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)研究突破是“一個(gè)巨大的飛躍”，“是通往實(shí)現(xiàn)‘量子霸權(quán)’的‘彈簧跳板’”。

　　美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站以“玻色取樣量子計(jì)算逼近里程碑”為題對(duì)該工作做了精選報(bào)道，網(wǎng)站評(píng)價(jià)認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)接近超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，意味著量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。

　　我國(guó)量子計(jì)算研究獲重要進(jìn)展：玻色取樣實(shí)驗(yàn)逼近“量子霸權(quán)”

　　據(jù)新華網(wǎng)、科學(xué)網(wǎng)等多家媒體報(bào)道，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星以及德國(guó)和荷蘭的科學(xué)家合作，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式干涉線路的玻色取樣量子計(jì)算，輸出了復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，其維數(shù)高達(dá)370萬(wàn)億。

　　這個(gè)工作在光子數(shù)、模式數(shù)、計(jì)算復(fù)雜度和態(tài)空間這四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上都大幅超越之前的國(guó)際記錄，其中，態(tài)空間維數(shù)比國(guó)際同行之前的光量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)高百億倍。論文以“編輯推薦”形式近日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（PRL）。美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站以“玻色取樣量子計(jì)算逼近里程碑”為題對(duì)該工作做了精選報(bào)道。

　　量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問(wèn)題方面相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。當(dāng)前，研制量子計(jì)算機(jī)已成為前沿科學(xué)的最大挑戰(zhàn)之一，成為世界各國(guó)角逐的焦點(diǎn)。

　　其中，量子計(jì)算研究的第一個(gè)階段性目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”（亦譯為“量子霸權(quán)”），即研制出能在特定任務(wù)求解方面超越經(jīng)典超算的量子計(jì)算機(jī)。面向這一戰(zhàn)略目標(biāo)，潘建偉、陸朝陽(yáng)研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于可擴(kuò)展單光子源和玻色取樣量子計(jì)算的研究。

光量子比特的綜合性能總結(jié)，來(lái)源：新浪科技

　　今年早些時(shí)候，研究團(tuán)隊(duì)提出相干雙色激發(fā)和橢圓微腔耦合理論方案，在實(shí)驗(yàn)上同時(shí)解決了單光子源所存在的混合偏振和激光背景散射這兩個(gè)最后的難題，并在窄帶和寬帶微腔上成功研制出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，相關(guān)成果被選為《自然·光子學(xué)》封面文章。

　　此次研究團(tuán)隊(duì)利用自主開(kāi)發(fā)的國(guó)際最高效率和最高品質(zhì)的單光子源、最大規(guī)模和最高透過(guò)率的多通道光學(xué)干涉儀，并通過(guò)與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星在超導(dǎo)納米線高效率單光子探測(cè)器方面的合作，成功實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式（60個(gè)輸入口，60層線路深度，包括396個(gè)分束器和108個(gè)反射鏡）干涉線路的玻色取樣實(shí)驗(yàn)。

　　與國(guó)際同行的類(lèi)似工作相比，中科大的此次實(shí)驗(yàn)成功操縱的單光子數(shù)增加了5倍，模式數(shù)增加了5倍，取樣速率提高了6萬(wàn)倍，輸出態(tài)空間維數(shù)提高了百億倍。其中，由于多光子高模式特性，輸出態(tài)空間達(dá)到了370萬(wàn)億維數(shù)，這等效于48個(gè)量子比特展開(kāi)的希爾伯特空間。

　　這次實(shí)驗(yàn)首次將玻色取樣推進(jìn)到一個(gè)全新的區(qū)域：無(wú)法通過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)直接全面驗(yàn)證該波色取樣量子計(jì)算原型機(jī)，朝著演示量子計(jì)算優(yōu)越性的科學(xué)目標(biāo)邁出了關(guān)鍵的一步。

　　PRL審稿人指出：該成果“在解決關(guān)鍵問(wèn)題上邁出了重要幾步，是個(gè)巨大的飛躍，不僅是對(duì)光量子計(jì)算能力的一次有影響力的測(cè)試，更是通往實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的彈簧跳板。

　　美國(guó)物理學(xué)會(huì)旗下Physics網(wǎng)站認(rèn)為：“這意味著量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)里程碑：接近經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能模擬量子系統(tǒng)的程度。

　　潘建偉：手握量子“秘鑰”的人

　　中國(guó)的量子領(lǐng)域，有個(gè)人不能不提，甚至在一些報(bào)道中他被冠以“中國(guó)量子之父”的稱(chēng)號(hào)，他就是潘建偉。

潘建偉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，中國(guó)科學(xué)院院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士，奧地利科學(xué)院外籍院士，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)，中科院量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)首席科學(xué)家。

　　世界級(jí)實(shí)驗(yàn)室潛心深造，把技術(shù)帶回中國(guó)

　　1996年，在中科大近代物理系完成本科與碩士階段學(xué)習(xí)的潘建偉，進(jìn)入奧地利因斯布魯克大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從安東·塞林格。彼時(shí)，他并不知道塞林格正領(lǐng)銜著一個(gè)量子信息研究大型項(xiàng)目——在中國(guó)，當(dāng)時(shí)一個(gè)科研項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)常常只有五萬(wàn)、十萬(wàn)元人民幣，而這個(gè)項(xiàng)目卻是一百多萬(wàn)歐元級(jí)別的。

　　在世界級(jí)實(shí)驗(yàn)室，潘建偉一邊在一線參與實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也在琢磨將來(lái)應(yīng)該往什么方向發(fā)展。那時(shí)候，他就已經(jīng)開(kāi)始留心所學(xué)所做，打算未來(lái)將這一新興技術(shù)帶回中國(guó)。

　　1999年，潘建偉獲奧地利維也納大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理博士學(xué)位。2001年，學(xué)成歸國(guó)的潘建偉開(kāi)始醞釀搭建中國(guó)的量子實(shí)驗(yàn)室。隨著我國(guó)科研經(jīng)費(fèi)投入的不斷增加，量子實(shí)驗(yàn)室從無(wú)到有，從有到強(qiáng)。

　　潘建偉的團(tuán)隊(duì)從2003年開(kāi)始做量子衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)：系列地面實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行量子通信是可行的。在潘建偉的領(lǐng)導(dǎo)下，2016年8月，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，成為全球首顆量子衛(wèi)星。

　　2017年9月，全長(zhǎng)2000多公里的量子通信京滬干線全線貫通，采用光纖傳輸量子信號(hào)，實(shí)現(xiàn)兩地量子保密通信，同時(shí)它的北京接入點(diǎn)與墨子號(hào)衛(wèi)星連接，突破了地面光纖傳輸?shù)木嚯x短板，有觀點(diǎn)認(rèn)為，這使得量子通信全球覆蓋的實(shí)現(xiàn)成為可能。

　　潘建偉團(tuán)隊(duì)一系列的科研成果使我國(guó)量子保密通信的實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用研究處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　登上“Nature十大年度人物”

　　2017年，潘建偉教授登上“Nature十大年度人物”，并附上一篇新聞特寫(xiě)，開(kāi)頭寫(xiě)道：

　　在中國(guó)，有人稱(chēng)他為“量子之父”。對(duì)于這一稱(chēng)呼，潘建偉當(dāng)之無(wú)愧。在他的帶領(lǐng)下，中國(guó)成為遠(yuǎn)距離量子通信技術(shù)（利用量子定律來(lái)安全傳輸信息）的領(lǐng)導(dǎo)者。潘建偉結(jié)束在歐洲的學(xué)習(xí)后，于2008年回到中國(guó)潛心開(kāi)展科研工作，從此點(diǎn)燃了中國(guó)發(fā)展量子技術(shù)的熊熊之火。美國(guó)馬里蘭大學(xué)的量子物理學(xué)家Christopher Monroe說(shuō)：“每一次我看到他們的研究進(jìn)展時(shí)，都會(huì)感到震撼?！?/p>

　　現(xiàn)如今，潘建偉已成為中國(guó)量子通信方面的領(lǐng)軍科學(xué)家之一，帶領(lǐng)中國(guó)的量子研究穩(wěn)步向前。

　　Google的量子突破并不意味著中國(guó)輸?shù)袅肆孔佑?jì)算機(jī)競(jìng)賽

　　2019年的一個(gè)關(guān)鍵詞就是“量子霸權(quán)”，此前，谷歌在Nature發(fā)文實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，對(duì)此，中國(guó)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人潘建偉教授認(rèn)為，美國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)了中國(guó)，但這“絕對(duì)不是終點(diǎn)”，而潘教授的團(tuán)隊(duì)成員也表示，中國(guó)團(tuán)隊(duì)仍然有希望實(shí)現(xiàn)量子至上，科學(xué)和技術(shù)的“圣杯”競(jìng)賽才剛剛開(kāi)始。

　　對(duì)此，也有不同觀點(diǎn)認(rèn)為中國(guó)相關(guān)研究起步較緩。有量子科學(xué)家稱(chēng)，Google在13年前啟動(dòng)了量子計(jì)算機(jī)程序，其他美國(guó)公司（例如IBM）也已經(jīng)進(jìn)行了大量投資并建造了原型機(jī)，但中國(guó)直到最近才開(kāi)始類(lèi)似的工作。

　　以上觀點(diǎn)，也有反駁聲音。就目前而言，可用的量子計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走，目前美國(guó)和中國(guó)的先進(jìn)技術(shù)都沒(méi)有任何實(shí)際應(yīng)用。

　　“中美在量子計(jì)算機(jī)技術(shù)上的差距并不沒(méi)有那么大?！北本┐髮W(xué)量子物理學(xué)教授吳飚就說(shuō)道，“我們還沒(méi)有離開(kāi)起跑線。如果有任何區(qū)別，那可能沒(méi)什么大不了，因?yàn)槲覀冸x任何實(shí)際的應(yīng)用程序都還很遠(yuǎn)?！?/p>

　　期待量子研究突破立竿見(jiàn)影是不切實(shí)際的，可能迫使量子研究游走在科幻小說(shuō)與現(xiàn)實(shí)之間

　　如今，量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的結(jié)果仍然可靠性仍然存疑。例如，Sycamore在進(jìn)行20輪仿真后只能保證0.2%的精度。量子計(jì)算機(jī)中的粒子由于其脆弱的條件也容易受到周?chē)h(huán)境的影響。

　　盡管筆記本電腦的中央處理器可以無(wú)故障運(yùn)行數(shù)年，但Google量子芯片必須每隔幾微秒就停止一次。

　　谷歌對(duì)其量子芯片的主張也受到了美國(guó)科學(xué)界一些人士的質(zhì)疑。例如，IBM已經(jīng)發(fā)布了一項(xiàng)研究，聲稱(chēng)谷歌的量子模擬被夸大了，因?yàn)樗梢栽趲滋熘畠?nèi)在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上完成，即使不是更快。

　　但是，量子計(jì)算機(jī)是人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的圣杯。它引起了政府，私人投資者和公眾的極大興趣。然而，對(duì)突破寄予立竿見(jiàn)影的厚望是不切實(shí)際的，并且可能迫使量子研究人員為尋求更多的資金和支持，“走在現(xiàn)實(shí)與科幻小說(shuō)之間的狹窄道路上”。