在剛剛結(jié)束的省兩會(huì)上，《政府工作報(bào)告》明確指出，我省今年將重點(diǎn)建設(shè)量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室支撐體系。去年，世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)誕生、“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星量子糾纏分發(fā)距離超過1200公里、世界首條千公里級(jí)量子保密通信“京滬干線”正式開通……隨著信息技術(shù)的不斷突破，量子科技走進(jìn)人們生活的腳步越來越快。

量子通信一路領(lǐng)跑

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)與合作者利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在中國(guó)和奧地利之間首次實(shí)現(xiàn)距離達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)。國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》以封面論文形式發(fā)表了這一成果。審稿人稱贊洲際量子保密通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是“重大技術(shù)成果”，“任何不用衛(wèi)星的方法可能至少需要10年的時(shí)間才能接近這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果”。

量子通信是目前理論上唯一被證明無條件安全的通信方式，而基于衛(wèi)星平臺(tái)的量子通信，是構(gòu)建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡(luò)最為可行的手段。去年9月29日，世界首條量子保密通信“京滬干線”正式開通，中國(guó)與奧地利首次成功實(shí)現(xiàn)洲際量子保密通信。在洲際量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，“墨子號(hào)”分別與河北興隆、奧地利格拉茨地面站進(jìn)行了星地量子密鑰分發(fā)，通過指令控制衛(wèi)星作為中繼，建立了興隆地面站與格拉茨地面站之間的共享密鑰?；诠蚕砻荑€，中奧聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在北京到維也納之間演示了圖片加密傳輸，并成功舉行了75分鐘的洲際量子保密視頻會(huì)議。

去年6月，潘建偉領(lǐng)銜的“墨子號(hào)”團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)，打破此前國(guó)際上保持多年的百公里級(jí)紀(jì)錄。時(shí)隔一個(gè)多月，該團(tuán)隊(duì)又在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)星地雙向量子通信，提前完成預(yù)先設(shè)定的量子糾纏分發(fā)、量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)三大科學(xué)任務(wù)。去年底，潘建偉團(tuán)隊(duì)量子通信研究成果，入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)《物理世界》評(píng)選的“2017年度國(guó)際物理學(xué)十大突破”；“墨子號(hào)”研究成果先后入選美國(guó)著名科學(xué)媒體《科學(xué)新聞》評(píng)選的“2017年度十大科學(xué)事件”和英國(guó)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志評(píng)選的“2017年度重大科學(xué)事件”。

去年12月，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊 《自然》公布2017年度十大科學(xué)人物，潘建偉榜上有名。 “在中國(guó)，有人稱他為‘量子之父’。對(duì)于這一稱呼，潘建偉當(dāng)之無愧。在他的帶領(lǐng)下，中國(guó)成為遠(yuǎn)距離量子通信技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。”《自然》雜志評(píng)價(jià)道。中科院院長(zhǎng)白春禮認(rèn)為，“墨子號(hào)”系列成果贏得了巨大國(guó)際聲譽(yù)，標(biāo)志著我國(guó)量子通信領(lǐng)域的研究在國(guó)際上達(dá)到“全面領(lǐng)先”的優(yōu)勢(shì)地位。

“在量子通信領(lǐng)域，我們領(lǐng)先世界5年至10年。 ”潘建偉表示，量子通信是最接近實(shí)用化的技術(shù)，未來5年，希望能在一些非常重要的部門探索使用；未來10年，在一些中等保密要求的機(jī)構(gòu)探索使用；未來15年，走進(jìn)千家萬戶。

量子計(jì)算迎頭趕上

在習(xí)近平主席2018年新年賀詞中，中科大研制的量子計(jì)算機(jī)順利入選。在中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院評(píng)選的2017年中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞中，我省“世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)誕生”等3項(xiàng)科技成果入選。在第四屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的光量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)，成功入選18項(xiàng)世界互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)先科技成果。

研制出具有超強(qiáng)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)，不僅是人類追求的夢(mèng)想，也是世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。歐盟在2016年宣布投入10億歐元支持量子計(jì)算研究，美國(guó)僅政府的投資即達(dá)每年3.5億美元。目前，我省正在合肥籌建量子信息科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，一期總投資約70億元。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要100年才能破解的難題，量子計(jì)算機(jī)可能僅需1秒。這種神奇的并行計(jì)算能力，正是量子計(jì)算機(jī)的魅力所在。可以想象的是，當(dāng)量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用之時(shí)，現(xiàn)在的密碼破譯、基因測(cè)序、天氣預(yù)報(bào)、藥物篩選等科學(xué)難題，將會(huì)迎刃而解。而在軍事、安全等敏感領(lǐng)域的可能應(yīng)用，也將激勵(lì)著各國(guó)加大投入。

去年5月3日，潘建偉院士在上海宣布，由中科大主導(dǎo)研制的世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)誕生。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該量子計(jì)算機(jī)的取樣速度比國(guó)際同行類似的實(shí)驗(yàn)加快至少2.4萬倍，比人類歷史上首臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)和首臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快10倍至100倍，創(chuàng)造世界紀(jì)錄。對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，科學(xué)界有三個(gè)達(dá)成共識(shí)的指標(biāo)性節(jié)點(diǎn)：第一步超越首臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，第二步超越商用計(jì)算機(jī)，第三步超越超級(jí)計(jì)算機(jī)。雖然，潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的只是其中的第一步，但這一小步卻是重要的一步，標(biāo)志著我國(guó)在量子計(jì)算機(jī)研究方面取得突破性進(jìn)展。

在中科大，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)和杜江峰院士團(tuán)隊(duì)，在量子計(jì)算領(lǐng)域也取得諸多進(jìn)展。 1月11日，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的本源量子計(jì)算云平臺(tái)成功上線 32位量子虛擬機(jī)，與國(guó)際通用的量子語言相比，其算法效率更高、更具可操作性。去年4月，杜江峰院士團(tuán)隊(duì)首次在室溫大氣條件下實(shí)現(xiàn)基于固態(tài)單自旋體系的質(zhì)因數(shù)分解量子算法，向建造室溫固態(tài)量子計(jì)算機(jī)邁進(jìn)重要一步。

人類已進(jìn)入一個(gè)能看到量子計(jì)算機(jī)將要“出生”的時(shí)間段。目前，潘建偉院士團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子計(jì)算和超冷原子模擬等領(lǐng)域，已躋身世界一流方陣。一臺(tái)操縱50個(gè)微觀粒子的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)特定問題的處理能力可超過目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。“我們正朝著這個(gè)方向努力，力爭(zhēng)5年內(nèi)研制出比超級(jí)計(jì)算機(jī)更快的量子計(jì)算機(jī)，那時(shí)就能實(shí)現(xiàn)相對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的量子稱霸。 ”潘建偉說。

精密測(cè)量期待突破

1月8日，著名期刊《自然·通訊》刊發(fā)中科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子精密測(cè)量領(lǐng)域的重要進(jìn)展，他們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種全新的量子弱測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了海森堡極限精度的單光子克爾效應(yīng)測(cè)量，這是國(guó)際上首個(gè)在實(shí)際測(cè)量任務(wù)中達(dá)到海森堡極限精度的工作，可利用的光子數(shù)達(dá)到10萬個(gè)。這種方法無需利用糾纏等量子資源，所用探針來源于常規(guī)的激光脈沖，從而擺脫了光子數(shù)的限制。該研究成果展現(xiàn)了量子精密測(cè)量的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)中光子的利用率約為16%，比此前經(jīng)典方法測(cè)量的最高精度提高了兩個(gè)量級(jí)。

量子精密測(cè)量是量子信息科學(xué)中新發(fā)展起來的一個(gè)重要方向，旨在利用量子資源和效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典方法的測(cè)量精度，通過該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航、激光制導(dǎo)、水下定位、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等。比如，有了加速度的量子精密測(cè)量技術(shù)，潛艇下海之后可以精確導(dǎo)航，在海底下不會(huì)迷失方向；用先進(jìn)的量子精密測(cè)量技術(shù)，甚至可以“看清”單個(gè)細(xì)胞的性質(zhì)是否發(fā)生變化。

“量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量，是量子信息技術(shù)的三個(gè)主要研究方向。”潘建偉透露，GPS導(dǎo)航、全球定位等很多技術(shù)都需要用到精密測(cè)量，利用量子精密測(cè)量可以發(fā)展自主導(dǎo)航技術(shù)，能夠把潛艇的導(dǎo)航誤差縮小到幾百米的范圍，這樣就可以實(shí)現(xiàn)潛艇的長(zhǎng)期潛伏，悄悄地開到指定目的地不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。 “當(dāng)然，量子精密測(cè)量將來主要會(huì)應(yīng)用到汽車上。 ”他說。

3年前，杜江峰院士團(tuán)隊(duì)的“納米尺度量子精密測(cè)量”項(xiàng)目，曾入選2015年度“中國(guó)高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”。該項(xiàng)目通過將量子技術(shù)與精密測(cè)量科學(xué)結(jié)合，率先實(shí)現(xiàn)具備納米分辨率和單分子靈敏度的磁共振探測(cè)技術(shù)。 《自然》雜志認(rèn)為，該項(xiàng)工作“是通往活體細(xì)胞中單蛋白分子實(shí)時(shí)成像的重要里程碑”。

“總的來說，在量子精密測(cè)量領(lǐng)域，我國(guó)近年來雖然取得了一些進(jìn)展，但與歐美國(guó)家相比還存在相當(dāng)大的差距。 ”潘建偉說。去年，為推動(dòng)量子精密測(cè)量技術(shù)早日應(yīng)用，中科大與中船重工簽署協(xié)議，雙方商定在量子導(dǎo)航、量子探測(cè)等方面開展深度合作，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研用合作早日取得新成果，共同開創(chuàng)量子信息技術(shù)應(yīng)用的嶄新空間。(本報(bào)記者 桂運(yùn)安)