但潘建偉腦子里有一個實驗方案,醞釀了一個月,覺得各方面都考慮成熟后,他興奮地在組會里講了他的設想。結果講完后,全組沒有人說話。半晌,Anton Zeilinger問潘建偉:“潘,你不知道這就是量子態隱形傳輸的理論方案嗎?你不知道我們另一個小組正在做這個實驗嗎?”

潘建偉因此加入實驗,成為全世界參與量子信息技術第一批實驗的那幾個人之一。

1997年,那篇物理學史上著名的、被稱為量子信息實驗領域的開山之作的《實驗量子態隱形傳輸》發表在《自然》雜志上,潘建偉是第二作者。二十五年之后(2022年),他的導師Anton Zeilinger和Alain Aspect、John F. Clauser一起獲當年諾貝爾物理學獎,“以表彰他們對糾纏光子進行的實驗,證明了對貝爾不等式的違反和開創性的量子信息科學”。當天的諾獎致辭里面提到了Anton Zeilinger的杰出工作,其中有四項工作,潘建偉要么是第一作者,要么是第二作者。

2001年,潘建偉回國組建量子物理與量子信息實驗室。他雄心勃勃,要將量子信息技術在中國實用化、甚至產業化。用他自己的話說,就是“要從dream到reality”。

從那以后,本世紀全世界量子信息領域最為重要的兩個事件:一個是“墨子號”發射,一個就是美國和中國科學家均在實驗中實現了量子計算的優越性,均與潘建偉團隊密不可分。

當然,上述兩件事也與合肥密不可分。

2024年11月29日,潘建偉院士在合肥發表演講,系統梳理了量子科學的發展脈絡,他在演講中提到了“九章四號”,還提到了量子信息更為宏大的圖景——“量子互聯網”:

“隨著技術發展,十年左右,光纖的量子通信技術就會到達千家萬戶?！?/p>

“量子信息就是要為整個世界從目前的‘互聯網時代’向未來‘量子互聯網時代’過渡,奠定技術基礎?！?/p>

歷史

“量子有兩個階段”

今天上午看了展廳,我自己都感到很震撼,沒想到量子信息應用已經如此廣闊了,因為看到很多成果已經走向轉化,這也給了我很大信心。

量子一共有兩個階段。第一個階段是量子力學的萌芽,出現在上世紀初。倫琴發現X射線;普朗克發現量子理論;1925年現代量子理論誕生,量子力學的誕生即將迎來一百周年。實際上,量子力學一誕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現代信息技術的誕生——如果沒有量子力學就不會有半導體,也不會有通用計算機;如果沒有激光,就不會有今天以光通信為基礎的互聯網;沒有基于量子力學的原子鐘的實現,也不可能有基于量子力學和相對論的“GPS全球定位系統”。

然而,誰能想到,現代信息技術的發展又拋給我們兩大問題。第一個問題是信息安全傳輸問題。設備終端、傳輸網絡、存儲器和處理器終端始終存在著信息安全漏洞。第二個問題,人工智能要搞機器訓練,要讓它(AI)構造十秒鐘的視頻,需要幾億度電,如果要三十秒的話,又需要好幾倍的電。

如此,我們就必須解決上述兩個問題,這也就是量子力學的第二個階段。

這是很有意思的。打個比方:量子力學先是生出一個小孩,結果這個孩子帶來了困惑,量子力學又要在發展過程中為解決未來問題做好準備。

這又帶來三個方向。量子通信可以實現原理上的“無條件安全”;利用量子疊加進行量子計算,可以滿足人類對算力的需求;量子精密測量可以大幅度提升導航、資源勘探和醫學檢測的精度。

更有意思的是,長遠來看,利用量子糾纏不僅可以傳送密碼,還可以在一個網絡里傳輸信息,像科幻電影《星際穿越》一樣,把個體傳送到遙遠的地方,然后再重構出來。

野心

“要建立量子互聯網”

我的看法,現階段我們發展量子信息,目標就是為了建立“量子互聯網”。

所謂“量子互聯網”,就是要利用量子感知、量子精密測量來獲取整個物理世界的各種信息;利用量子通信來進行信息安全的傳遞;再利用量子計算實現信息的高速處理。

這樣(路線圖)就很清楚了。量子信息就是要為整個世界從目前的“互聯網時代”向未來“量子互聯網時代”過渡,奠定技術基礎。

也正因為量子信息的重要意義,相關科學家已經在2005、2012和2022年三獲諾貝爾物理學獎。

接下來,這個“量子互聯網”具體怎么實現呢?這是一個很現實的問題。

我想,第一步就是量子通信。我們的路線圖就是用光纖實現能夠接入千家萬戶的城域通信網絡,利用中繼器實現城際量子網絡,再通過衛星中轉實現遠距離量子通信。

這件事很大程度得益于中國科學家,特別是合肥科學家的團隊努力。到2023年,點對點的、基于光纖的量子保密通信最遠距離已經突破1000公里,我們先后建立了京滬干線和國家廣域量子通信保密骨干網。

在這里我要說的是,量子中繼對我來說是長期奮斗的目標。

我在1998年,也就是26年之前就開始量子中繼的攻關,2008年取得一些進展,到2024年首次實現了首個幾十公里的城域量子糾纏網絡。

我的判斷是,隨著技術發展,十年左右,光纖的量子通信技術就會到達千家萬戶。

我們還提出用量子衛星實現全球化量子通信,經過2016年發射“墨子號”;到2021年,我們終于展示出了“星地一體”這樣一種技術體系的可行性,也證明了天地一體化廣域量子通信是可行的。

第二步就是量子計算。要真正實現通用、全功能的量子計算估計也需要十年甚至二十年的時間。但若這個時間太長對整個領域的發展是非常不利的。所以全球科學家就設定了一些中間目標。

第一個目標叫做“量子計算優越性”。中國科學家在光量子計算上率先取得突破。2020年,“九章”完成76光子的“量子計算優越性”,這是國際公認的。從“九章三號”,到今年的“九章四號”,我們已經達到兩千到三千個光子了,計算能力越來越強。

除了光量子路線之外,在超導量子計算領域,合肥的科學家、科大科學家也做出了很好的工作。朱曉波帶領年輕的同事在2021年在“祖沖之2號”上實現了比超級計算機快10萬倍的“量子計算優越性”,這個優越性直到現在也是成立的。

第二個目標,我們希望做得更好一點。因為別人會問,你說你這么快,但你能不能解決實際問題?

這就需要做一些專用的量子計算機。2022年,我們首先用專用量子計算機合成了“超冷三原子分子”;2024年,我們又有了一個比較好的結果,就是用天元超冷量子模擬機驗證“反鐵磁相變”。

第三個目標是通用量子計算機。這個領域,南方科大的科學家俞大鵬帶領的團隊在2023年取得了比較好的結果,他在量子信息存儲時間方面超越了盈虧平衡點。

還要給大家補充一下,關于量子技術在精密測量領域的應用,合肥將扮演非常重要的角色。我們會發射中高軌衛星參與主導國際秒定義;此外,像侯建國院士團隊和杜江峰院士團隊也在單分子精密操縱和探測方面做出了非常好的工作。

計劃

“中美首次站在同一起跑線上”

最后,我想展望一下未來的發展。

第一,光纖城域量子通信網絡已經成熟了。不僅可以傳遞密碼,也可以傳遞量子信息,在十年左右時間里面將走向實際應用。

衛星平臺方面,我們可能會跟中國電信等相關單位合作,來構建一個初步的平臺。明后年可能會發射四顆“星座”,來看一看,到底能不能構建一個所謂的“量子星座”來實現高效量子通信。

除此之外,我們還會發射一顆中高軌量子衛星,它可以實現萬公里洲際量子密鑰分發和量子糾纏分發。

在這之后,還有一個非常有意思的應用:希望可以構建一種非常精確的望遠鏡,叫“量子增強的光學合成孔徑的望遠鏡”。這在未來天文觀測里是非常有用的。

在這個基礎之上,我們還希望通過十年到十五年左右的努力,研制“10的負21次方秒的高精度光的跟蹤”。

第二,在量子計算方面,我們要建設一個百萬比特的研發平臺。跟國際上一樣,都能夠在2035年左右實現百萬超導量子比特的相干操縱,借助量子糾纏,為通用量子計算奠定基礎。

希望我們真的能在未來十到十五年實現“容錯通用的量子計算”。

當然,我們也要加強信心。正如2022年諾貝爾物理學獎新聞發布現場和科學背景介紹中大量引述我國科學家在量子通信方面的工作。哈佛大學肯尼迪學院講道:“中國正超越美國成為世界量子通信的領導者?！?/p>

而在量子計算方面,我們國家也占據一席之地。

我想提醒諸位,世界歷經多輪科技革命,但只有量子信息科技的這一輪,中國首次和美國等世界強國站在同一起跑線上,是國際科技競爭中中國最有條件、最有基礎、最有可能拔得頭籌和搶得先機的重要科技領域。

（元新聞記者 梁?。?/p>