量子計算正從“玩具”變成“工具”
量子通信未來的發展，一方面需要擴大量子通信網絡的有效覆蓋範圍，包括實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接、實現可支持千公里量級的量子中繼、發展下一代可全天時工作的量子衛星網絡等；另一方面，需要在工程化集成與驗證的實踐中推動核心器件的自主研發、相關應用標準的制定和規模化的應用示範。
30多年前，在科學家們對量子疊加、量子糾纏等量子力學基本問題的研究過程中，精細的量子調控技術逐漸發展起來，使得人類從對量子規律的被動觀測跨越到對量子狀態的主動精確操縱，由此我們現在所說的“量子科技”便誕生了。
量子科技是融合量子調控和信息技術而產生的新興學科。在這一領域，我國已經取得了一系列重要科學問題和關鍵核心技術突破，並在部分方向實現國際領先。我國量子科技將如何深化發展，自主創新科技體系將如何構建，從基礎研究到實用化、工程化的轉化之路將如何實現引領性突破？科技日報記者對中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉進行了專訪，請他談談對量子科技發展的思考。
科技日報記者：在“墨子號”量子科學實驗衛星發射升空後，我國科學家已經利用它取得了一系列研究成果，併成功將量子通信發展到了實用階段，這是否意味着，一種顛覆傳統的通信方式即將誕生？
潘建偉：儘管量子通信是一個新興領域，但它並不是要取代現有的通信方式，恰恰相反，它將以一種新的途徑來大幅提高現有信息系統的安全性。
現代信息安全體系的核心要素是密鑰，只要確保密鑰安全，就可以保證加密信息的安全。在傳統保密通信中，至今還沒有能嚴格證明其安全性的方法。
但量子保密通信卻可以在已有公開信道中，通過量子密鑰分發實時產生密鑰並安全便捷地分配到用戶，使得在量子密鑰的傳輸過程中，如果信息被竊聽，竊聽者無法做到不留下痕跡。而且這一點是絕對的，是由量子力學基本原理所保證的。
換句話說，量子保密通信是在傳統通信中使用量子密鑰以提升安全性，而非一種完全顛覆傳統的通信方式。
科技日報記者：目前，我國已通過“墨子號”和“京滬幹線”的實驗，構建了首個天地一體化的量子通信網絡雛形，我國量子通信也已經處於國際領先水平。那麼，爲持續保持引領地位，我國還需要在哪些方面着力？
潘建偉：量子通信的發展目標是構建全球範圍的廣域量子通信網絡體系。首先通過光纖實現城域量子通信網絡，進而通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接，最終通過衛星平臺中轉來實現遙遠區域之間的連接，這是廣域量子通信網絡的發展路線。
按照這一路線，量子通信未來的發展，一方面需要擴大量子通信網絡的有效覆蓋範圍，包括實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接、實現可支持千公里量級的量子中繼、發展下一代可全天時工作的量子衛星網絡等；另一方面，需要在工程化集成與驗證的實踐中推動核心器件的自主研發、相關應用標準的制定和規模化的應用示範。
科技日報記者：除量子通信外，量子計算也得到了極高的關注，國內外均有企業聲稱已進入到量子計算領域，但同時也有觀點認爲量子計算還很遙遠。對此您怎麼看？
潘建偉：量子計算研究是一個高度複雜的工作，對於學術界而言，還是要循序漸進，實現一個個階段性的目標。國際學術界公認的量子計算髮展有幾個里程碑階段——
第一個里程碑是實現量子計算優越性，即量子計算機對特定問題的計算能力超越超級計算機，這需要相干操縱約50個量子比特。2019年穀歌實現的量子計算原型機“懸鈴木”就包含53個超導量子比特，在求解隨機線路採樣問題上超越了超級計算機，也就是成功實現了量子計算優越性。但是，求解隨機線路採樣目前看來還沒有現實意義，現在的量子計算原型機更像是一個“玩具”，只能在玩某一個遊戲方面擊敗經典計算機，它的重要意義在於，證明了量子計算機是可以超越經典計算機的。
第二個里程碑是實現專用量子模擬機，即相干操縱數百個量子比特，用於解決若干超級計算機無法勝任的實用問題，例如量子化學、新材料設計、優化算法等。到這個時候，量子計算機才真正開始有用，變成一個“工具”。我們希望能夠在5—10年內實現這樣的量子模擬機，這是當前的主要研究任務。
第三個里程碑是實現可編程的通用量子計算機，即相干操縱至少數百萬個量子比特，同時將量子比特的操縱精度提高到超越容錯閾值（>99.9%），能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發揮巨大作用。到了這一階段，量子計算機可能就和我們現在觀念中的計算機差不多了，可以用來快速解決很多問題。不過，由於技術上的巨大挑戰，何時實現通用量子計算機尚不明確，學術界一般認爲還需要20年甚至更長的時間。
科技日報記者：前不久，您的團隊構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，據媒體報道，其可以在1分鐘內實現超級計算機1億年才能完成的任務。您認爲，我國的量子計算正處於什麼階段？
潘建偉：根據現有的最優經典算法，“九章”處理高斯玻色取樣問題的速度比目前最快的超級計算機“富嶽”快100萬億倍，標誌着我國也成功達到了量子計算優越性的里程碑，且“九章”的等效速度比谷歌的“懸鈴木”快100億倍左右。
除了“九章”代表的光量子體系，超冷原子和超導線路也是公認最有可能率先實現大規模量子比特相干操控的物理體系。在超導量子計算方面，我國近期也有望實現超越谷歌的“量子計算優越性”。在超冷原子體系中，我國在規模化原子糾纏的製備與操縱，對自旋軌道耦合、超冷分子反應等的量子模擬方面取得了系列重要成果，這爲實現超冷原子體系的專用量子模擬機奠定了基礎。
離子、硅基量子點等物理體系同樣具有多比特擴展和容錯性的潛力，也是目前國際量子計算研究的熱點方向。在這些體系的量子計算基本要素方面，我國積累了大量關鍵技術，與國際主要研究力量處於並跑水平。
此外，由於拓撲量子計算在容錯能力上的優越性，利用拓撲體系實現通用量子計算機是面向長遠的重要研究目標，目前國內外均在爲實現單個拓撲量子比特而努力，這將是一項“從0到1”的突破。
調控技術迅速發展 精密測量已經進入量子時代
科技日報記者：除上述兩大領域外，量子精密測量也是量子科技非常重要的細分領域，相比而言，公衆可能對它比較陌生。能否請您介紹一下，量子技術對精密測量的意義？
潘建偉：量子狀態對環境高度敏感，其實就是一個非常靈敏的傳感器。同時，物理量的量子化也提供了一個非常精確的基準，比如光子是光能量的最小單元，在一定頻率下，一個光子的能量就是固定值，那麼如果我們能夠一個個地“數”光子的話，基本物理量中的發光強度就可以用光子數來定義，精度和穩定性都會大幅提升。這裡“數”光子其實就是指量子調控的能力。
正是鑑於量子調控與量子信息技術的快速發展，2018年第26屆國際計量大會通過了量子化方法定義國際單位制的重大決議。事實上，時間、位置、加速度、電磁場等很多物理量，都可以利用量子技術實現超越經典技術極限的精密測量。
科技日報記者：量子精密測量包括了哪些應用領域？
潘建偉：量子精密測量的主要應用包括高精度光頻標與時間頻率傳遞、量子陀螺儀、原子重力儀等量子導航技術，以及量子雷達、痕量原子示蹤、弱磁場探測等量子靈敏探測技術等。這些技術將在慣性導航、下一代時間基準、隱身目標識別、全球地形測繪、醫學檢驗等廣泛領域發揮重要作用。
我國量子精密測量領域的研究整體上相比發達國家還存在一定差距，但這個差距近年來正在迅速縮小，並且在部分方向上已經與公開報道的國際最高水平相當。
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記者從中國科學技術大學獲悉，中國科學院院士、中國科學技術大學郭光燦團隊在量子超表面圖像邊緣探測實驗研究中取得重要進展。郭光燦團隊的史保森教授、周志遠副教授等利用高品質偏振糾纏源和高效介質超表面，實現了待檢測圖像狀態在正常模式和邊緣探測模式遠程的開關切換，並且證實了在弱光場照明下，糾纏光子照明相對於直接單光子照明具有更高的信噪比。這項研究成果2020年年末在線發表於《科學進展》。
近年來，超表面材料與量子光學結合成爲重要的研究方向，而邊緣探測是圖像處理過程中的一種常用手段。相較於傳統的數字邊緣提取方法，模擬邊緣提取方法具有更高速度和更低能耗，但此前在量子糾纏照明下的超表面器件邊緣探測還沒有出現相關研究。
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專家表示，該成果是量子超表面研究在圖像邊緣探測的一次嘗試，在圖像加密和隱寫上具有潛在應用。另外，在光子照明匱乏的場景，如酶反應跟蹤與生物活體細胞的觀察上，較高信噪比會表現出一定優勢。該工作將會促進更多的關於量子光學和超表面材料結合的相關研究。