作者:赵广立 王敏 来源:中国科学报 发布时间:2023/8/14 8:55:35
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中国量子信息,何以坚定自强不息?

 

二十年前,潘建伟团队在中国科学技术大学(以下简称中国科大)提出发射量子科学实验卫星的想法之初,国际上许多学者都认为不太现实——要把一个个单光子那么微弱的信号,从1000公里的外太空空送到地面,还要能够接收并探测到它,难度太大。

国际上一位量子通信领域的资深学者、日内瓦大学尼古拉斯·吉辛(Nicolas Gisin)教授甚至说:“我不认为在我退休之前,哦不,在我有生之年能够看到它实现。”

从“一个团队”到“一个兵团”

仅靠中国科大一个团队确实不行。

“但我们注意到,中国科大的核技术国家重点实验室有成熟的单光子电子学探测技术和调控技术,中国科学院上海技物所在空间光机终端系统方面有深厚积累。另外,中国科学院微小卫星创新研究院的卫星平台可以满足发射卫星需要,中国科学院成都光电技术研究所的地面望远镜则在信号接收方面能够提供保障。”潘建伟说,中国科学院从器件到载荷研发、从空间技术到地面光学技术等各方面都有技术力量支撑。

在中国科学院的统一组织之下,潘建伟团队联合各单位,通过有效整合科技力量,组织起了大兵团科研攻关。2016年8月16日,“墨子号”量子科学实验卫星成功发射升空。

“墨子号”科学实验任务的完成,使得我国率先在国际上实现星地量子通信;2017年,量子保密通信骨干网络“京沪干线”正式开通,并与“墨子号”连接,实现世界首次洲际量子通信。

墨子号”量子卫星与“京沪干线”骨干网构建首个天地一体化广域量子通信网络雏形。中国科学院量子信息与量子科技创新研究院供图,下同


在量子计算领域,“九章”光量子计算原型机、“祖冲之二号”超导量子计算原型机先后实现“量子计算优越性”里程碑,使我国成为目前唯一在两种物理体系都实现这一关键技术突破的国家。

76个光子的量子计算原型机“九章”


66比特超导量子计算原型机“祖冲之二号”


“‘墨子号’、量子京沪干线、‘九章’……量子科技领域这些极具代表性成果,为什么都产生于中国科学院?因为中国科学院有体系化建制化的优势。”潘建伟说。

经过多年体系化建制化布局,我国量子科技发展已迈入快车道。

2023年7月12日,一项“51个超导量子比特簇态制备和验证”的成果在国际学术期刊《自然》杂志在线发表。这项由中国科学院量子信息与量子科技创新研究院与北京大学合作研究团队完成的研究成果,刷新了所有物理体系中纠缠比特数目纪录,为基于测量的量子计算方案走向实用奠定了基础。

距此不久前,由来自中国科大、清华大学、济南量子技术研究院、中国科学院上海微系统所等的中国科学家通过合作,实现了千公里光纤点对点远距离量子密钥分发,创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录,为城际量子通信高速率主干链路提供了方案。该成果于5月25日发表在国际学术期刊《物理评论快报》杂志。

量子信息领域的科研成果接连涌现,是近十年来我国在量子信息科技领域取得长足进步的一个缩影。

与10年前相比,目前我国在量子调控和应用领域处在什么水平?

“时至今日,我国的量子科技已经实现了从跟跑、并跑到部分领跑的历史飞跃,量子通信研究稳居国际引领地位,量子计算研究牢固确立国际第一方阵地位,量子精密测量研究尽管整体上与国际领先水平尚存差距,但也有了长足进步,在多个方向进入国际前列。”潘建伟告诉《中国科学报》。

从“对拍桌子”到“一起拍板”

在“墨子号”的具体实现阶段,科学家与工程师们在具体细节落实上,没少对坐在会议桌前“拍桌子”。

潘建伟说,科学家希望追求更高的科学目标,想法就更加大胆,工程上的稳定性可能会打折扣。而工程上为了保证顺利完成发射任务,就希望把难度降低一些。工程师们担心,太激进的方案,可能导致载荷等精密设备前一秒还在工作,下一秒就会出问题。

“后来我们达成了一种做法,就是‘首席科学家+工程总指挥+工程总师’的决策组织模式。遇到分歧的事情,大家一起拍板。”潘建伟说,“首席科学家+两总”的模式,在类似科研任务中一直延续了下来。

从 2012 年墨子号开始,到后来的天宫二号量子密钥分配载荷、济南一号,算下来,这样合作已经十多年了。“我想,未来还会继续合作下去。”潘建伟说:“可能一直到我们退休,到下一代人退休,都会很好的合作下去,我觉得这是一个非常重要的一个经验。”

广泛发动力量、加强协同合作,是我国能够在量子科技领域持续进步的一大“法宝”。

为了解决科技体制与科技快速发展要求不相适应的问题,2016年,中国科学院在“率先行动”计划下,专门成立了中国科学院量子信息与量子科技创新研究院(以下简称创新院)。

潘建伟告诉记者,中国科学院在北京、上海、合肥等地,拥有多个开展量子科技各项研发的团队和力量。而通过成立创新院,能够让不同单位、具有不同学科背景和专业知识的人或团队,能够很好地协同创新。

科研经费投入到创新院,原单位的绩效评估如何考量?贡献如何排名?

“这样组织起来,评价体系要经得住考验。”潘建伟介绍说,创新院每年会给出相应的统计并分发到各单位——在承担国家重大任务中,尽管科研经费的运作是在创新院,但实际绩效“工分”会记录在各研究所;大家在创新院开展科研攻关,产出成果后,创新院可以列为最后一个完成单位。

“可以说,协同攻关的最大的一个体制机制障碍,目前已经比较好地解决了。”潘建伟说,在这个过程中,大家也会感受到是为了国家重大任务和重大需求,团结协作一起来干事创业。

从“大胆启用年轻人”到“成为主导力量”

2013年7月17日,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平来到中国科学院考察工作之时,潘建伟作为“中青年代表”参加了座谈会。

“总书记当时问我,‘你来自哪个单位,具体做什么研究?’我说我来自中国科大,正在做量子信息方面研究。我在现场能感受到,习近平总书记对量子科技的高度关注、对量子科技工作者的殷切期待。”十年后再回顾,潘建伟仍难掩激动。

在中国量子信息科技前进的路上,年轻的科学家,一直被“大胆启用”,直到成为主导力量。

“墨子号”量子科学实验卫星在2011年12月进入工程研制阶段时,担任首席科学家的潘建伟,41岁;担任卫星系统副总设计师之一的彭承志,35岁。

彭承志还记得,“墨子号”的原理性实验开始于2003年。当时团队想做一下量子科学实验卫星的可行性验证:量子纠缠能不能穿过大气层?“潘老师觉得,量子通信的基本原理已经比较清楚,就想让我去做量子保密通信的工程实现。”

当时,彭承志刚满27岁,而且他原本是学电子学的。潘建伟把他叫来委以重任:“你工程能力强,大胆去试试。”并建议他“可以去大蜀山去做”。

2013年,陆朝阳31岁。这年,陆朝阳跟着潘建伟去了一趟德国。回国后,他开始着手光量子计算方面的研究。经过7年的努力,陆朝阳作为主要完成人之一,成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”,使我国成为首个在光量子体系实现“量子计算优越性”里程碑的国家。

“我们对年轻人的态度就是,只要年轻人能干、愿意干,就放手让他们去干。”潘建伟说:“在摸爬滚打的实践中,年轻人得到了成长。”

与此同时,潘建伟也一直鼓励学科交叉。

赵博2001年7月毕业于中国科学技术大学近代物理系,一直到博士毕业、博士后出站,一直做理论物理方面的研究。2012年回国后,正赶上团队认识到“超冷量子化学”的机理研究正在蓬勃发展、非常重要,就被潘建伟告知“你可能需要转一下行”。

赵博二话没说,一头扎进这个领域,一钻就是七八年。如今,他带领的小组开始陆陆续续在 Nature、Science 发论文,逐渐在国际超冷量子化学领域崭露头角。

“人才培养,就是为国养才。国家有需要,我们就可以通过提拔年轻人、敢于交叉与协同合作,去取得前沿方向的突破。”潘建伟说,这是“我们非常自豪的一个经验”。

事实上,潘建伟所在的中国科大,不断在量子科技人才培养模式上探索创新。

2021年,为了满足量子科技人才培养的需要,中国科大设立了国内第一个量子信息科学本科专业;我国首个量子科学与技术方向的博士学位授权点也落户中国科大;同年7月,中国科大“未来技术学院”正式成立,旨在面向量子科技发展对未来人才的需求,创新未来科技创新领军人才培养模式,打造体系化、高层次量子科技人才培养平台,造就一批未来能够把握世界科技大势、善于统筹协调的世界级科学家和领军人才。

“一系列举措,就是为了解决人才培养与队伍建设的问题,希望能够产生世界级大师,推动领军人才的培养。”潘建伟说,经过 10 年努力,我国在量子科技领域方面已形成了一支体量适度、学科均衡的人才队伍,“基本能满足现阶段量子科技发展的需要”。

从“开始调控量子世界”到“带来新的产业革命”

潘建伟至今仍记得习近平总书记当年关于量子科技的论断:“科学家们开始调控量子世界,这将极大推动信息、能源、材料科学发展,带来新的产业革命。”

“我感到,‘科学家们开始调控量子世界’正在一步步变成现实。我们希望继续通过10~15年的努力,发展各种技术,去实现总书记后半句‘将极大推动信息、能源、材料科学发展,带来新的产业革命’的预言。”

面向未来,潘建伟向《中国科学报》展望了量子科技向前发展的图景。

量子保密通信,还可以更远。“根据用户提出的反馈,进一步提高它的速率、减小它的体积、降低它的成本,进一步地推向实用。另外,希望把通信距离做得越来越远。”潘建伟说,这需要量子中继的方式把距离遥远的城市连接起来。

“目前,量子中继尚处于应用基础研究阶段,相信10年后可以变成一种实用化的技术。”他对记者说:“在全球化量子通信方面,我们将构建由多颗低轨量子微纳卫星组成的实用化的‘量子星座’,第一颗量子微纳卫星已经在去年7月发射成功,后续我们还将继续发射这样的低成本的微纳卫星。我们还将发射一颗中高轨量子科学实验卫星,目前创新院正在紧锣密鼓地开展工程研制,希望在2026年底具备发射条件。”

下一代卫星量子通信示意图


量子计算,还可以“更快”。潘建伟说,希望用5年左右的时间,能够解决量子纠错的问题,“进而实现数千个量子比特的相干操纵”。如此,可以构造出专用的量子模拟机,将可以来解决一些具有重大科学意义的、非常复杂难以计算的问题,在此基础上,他还希望通过10到15年的努力,构造出可容错的通用量子计算机。

量子精密测量,还可以“更准”。潘建伟告诉记者,通过中高轨卫星的发射,希望能够实现万公里的洲际时频比对。

“时间的同步很重要,比如,时间同步精度要能够达到10-18秒——100亿年只差一秒这样的精度,这将带来全新的时间单位‘秒’的定义。”潘建伟说,随着量子调控时代的到来,国际计量大会已形成决议,要把所有7个基本物理量都要用量子化方法来重新定义。

“我们希望这其中有中国的贡献——通过发展系列的量子精密测量的装置,改变目前的精密测量格局。”潘建伟说,这是我们建设科技强国的一个根本。

 
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