但潘建伟脑子里有一个实验方案,酝酿了一个月,觉得各方面都考虑成熟后,他兴奋地在组会里讲了他的设想。结果讲完后,全组没有人说话。半晌,Anton Zeilinger问潘建伟:“潘,你不知道这就是量子态隐形传输的理论方案吗?你不知道我们另一个小组正在做这个实验吗?”

潘建伟因此加入实验,成为全世界参与量子信息技术第一批实验的那几个人之一。

1997年,那篇物理学史上著名的、被称为量子信息实验领域的开山之作的《实验量子态隐形传输》发表在《自然》杂志上,潘建伟是第二作者。二十五年之后(2022年),他的导师Anton Zeilinger和Alain Aspect、John F. Clauser一起获当年诺贝尔物理学奖,“以表彰他们对纠缠光子进行的实验,证明了对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”。当天的诺奖致辞里面提到了Anton Zeilinger的杰出工作,其中有四项工作,潘建伟要么是第一作者,要么是第二作者。

2001年,潘建伟回国组建量子物理与量子信息实验室。他雄心勃勃,要将量子信息技术在中国实用化、甚至产业化。用他自己的话说,就是“要从dream到reality”。

从那以后,本世纪全世界量子信息领域最为重要的两个事件:一个是“墨子号”发射,一个就是美国和中国科学家均在实验中实现了量子计算的优越性,均与潘建伟团队密不可分。

当然,上述两件事也与合肥密不可分。

2024年11月29日,潘建伟院士在合肥发表演讲,系统梳理了量子科学的发展脉络,他在演讲中提到了“九章四号”,还提到了量子信息更为宏大的图景——“量子互联网”:

“随着技术发展,十年左右,光纤的量子通信技术就会到达千家万户。”

“量子信息就是要为整个世界从目前的‘互联网时代’向未来‘量子互联网时代’过渡,奠定技术基础。”

历史

“量子有两个阶段”

今天上午看了展厅,我自己都感到很震撼,没想到量子信息应用已经如此广阔了,因为看到很多成果已经走向转化,这也给了我很大信心。

量子一共有两个阶段。第一个阶段是量子力学的萌芽,出现在上世纪初。伦琴发现X射线;普朗克发现量子理论;1925年现代量子理论诞生,量子力学的诞生即将迎来一百周年。实际上,量子力学一诞生立即催生了第一次量子革命。第一次量子革命直接催生了现代信息技术的诞生——如果没有量子力学就不会有半导体,也不会有通用计算机;如果没有激光,就不会有今天以光通信为基础的互联网;没有基于量子力学的原子钟的实现,也不可能有基于量子力学和相对论的“GPS全球定位系统”。

然而,谁能想到,现代信息技术的发展又抛给我们两大问题。第一个问题是信息安全传输问题。设备终端、传输网络、存储器和处理器终端始终存在着信息安全漏洞。第二个问题,人工智能要搞机器训练,要让它(AI)构造十秒钟的视频,需要几亿度电,如果要三十秒的话,又需要好几倍的电。

如此,我们就必须解决上述两个问题,这也就是量子力学的第二个阶段。

这是很有意思的。打个比方:量子力学先是生出一个小孩,结果这个孩子带来了困惑,量子力学又要在发展过程中为解决未来问题做好准备。

这又带来三个方向。量子通信可以实现原理上的“无条件安全”;利用量子叠加进行量子计算,可以满足人类对算力的需求;量子精密测量可以大幅度提升导航、资源勘探和医学检测的精度。

更有意思的是,长远来看,利用量子纠缠不仅可以传送密码,还可以在一个网络里传输信息,像科幻电影《星际穿越》一样,把个体传送到遥远的地方,然后再重构出来。

野心

“要建立量子互联网”

我的看法,现阶段我们发展量子信息,目标就是为了建立“量子互联网”。

所谓“量子互联网”,就是要利用量子感知、量子精密测量来获取整个物理世界的各种信息;利用量子通信来进行信息安全的传递;再利用量子计算实现信息的高速处理。

这样(路线图)就很清楚了。量子信息就是要为整个世界从目前的“互联网时代”向未来“量子互联网时代”过渡,奠定技术基础。

也正因为量子信息的重要意义,相关科学家已经在2005、2012和2022年三获诺贝尔物理学奖。

接下来,这个“量子互联网”具体怎么实现呢?这是一个很现实的问题。

我想,第一步就是量子通信。我们的路线图就是用光纤实现能够接入千家万户的城域通信网络,利用中继器实现城际量子网络,再通过卫星中转实现远距离量子通信。

这件事很大程度得益于中国科学家,特别是合肥科学家的团队努力。到2023年,点对点的、基于光纤的量子保密通信最远距离已经突破1000公里,我们先后建立了京沪干线和国家广域量子通信保密骨干网。

在这里我要说的是,量子中继对我来说是长期奋斗的目标。

我在1998年,也就是26年之前就开始量子中继的攻关,2008年取得一些进展,到2024年首次实现了首个几十公里的城域量子纠缠网络。

我的判断是,随着技术发展,十年左右,光纤的量子通信技术就会到达千家万户。

我们还提出用量子卫星实现全球化量子通信,经过2016年发射“墨子号”;到2021年,我们终于展示出了“星地一体”这样一种技术体系的可行性,也证明了天地一体化广域量子通信是可行的。

第二步就是量子计算。要真正实现通用、全功能的量子计算估计也需要十年甚至二十年的时间。但若这个时间太长对整个领域的发展是非常不利的。所以全球科学家就设定了一些中间目标。

第一个目标叫做“量子计算优越性”。中国科学家在光量子计算上率先取得突破。2020年,“九章”完成76光子的“量子计算优越性”,这是国际公认的。从“九章三号”,到今年的“九章四号”,我们已经达到两千到三千个光子了,计算能力越来越强。

除了光量子路线之外,在超导量子计算领域,合肥的科学家、科大科学家也做出了很好的工作。朱晓波带领年轻的同事在2021年在“祖冲之2号”上实现了比超级计算机快10万倍的“量子计算优越性”,这个优越性直到现在也是成立的。

第二个目标,我们希望做得更好一点。因为别人会问,你说你这么快,但你能不能解决实际问题?

这就需要做一些专用的量子计算机。2022年,我们首先用专用量子计算机合成了“超冷三原子分子”;2024年,我们又有了一个比较好的结果,就是用天元超冷量子模拟机验证“反铁磁相变”。

第三个目标是通用量子计算机。这个领域,南方科大的科学家俞大鹏带领的团队在2023年取得了比较好的结果,他在量子信息存储时间方面超越了盈亏平衡点。

还要给大家补充一下,关于量子技术在精密测量领域的应用,合肥将扮演非常重要的角色。我们会发射中高轨卫星参与主导国际秒定义;此外,像侯建国院士团队和杜江峰院士团队也在单分子精密操纵和探测方面做出了非常好的工作。

计划

“中美首次站在同一起跑线上”

最后,我想展望一下未来的发展。

第一,光纤城域量子通信网络已经成熟了。不仅可以传递密码,也可以传递量子信息,在十年左右时间里面将走向实际应用。

卫星平台方面,我们可能会跟中国电信等相关单位合作,来构建一个初步的平台。明后年可能会发射四颗“星座”,来看一看,到底能不能构建一个所谓的“量子星座”来实现高效量子通信。

除此之外,我们还会发射一颗中高轨量子卫星,它可以实现万公里洲际量子密钥分发和量子纠缠分发。

在这之后,还有一个非常有意思的应用:希望可以构建一种非常精确的望远镜,叫“量子增强的光学合成孔径的望远镜”。这在未来天文观测里是非常有用的。

在这个基础之上,我们还希望通过十年到十五年左右的努力,研制“10的负21次方秒的高精度光的跟踪”。

第二,在量子计算方面,我们要建设一个百万比特的研发平台。跟国际上一样,都能够在2035年左右实现百万超导量子比特的相干操纵,借助量子纠缠,为通用量子计算奠定基础。

希望我们真的能在未来十到十五年实现“容错通用的量子计算”。

当然,我们也要加强信心。正如2022年诺贝尔物理学奖新闻发布现场和科学背景介绍中大量引述我国科学家在量子通信方面的工作。哈佛大学肯尼迪学院讲道:“中国正超越美国成为世界量子通信的领导者。”

而在量子计算方面,我们国家也占据一席之地。

我想提醒诸位,世界历经多轮科技革命,但只有量子信息科技的这一轮,中国首次和美国等世界强国站在同一起跑线上,是国际科技竞争中中国最有条件、最有基础、最有可能拔得头筹和抢得先机的重要科技领域。

（元新闻记者 梁巍）