1946年世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)“ENIAC”誕生，由此掀起了世界第三次工業(yè)革命——電子信息科技革命，而隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，在遵循“摩爾定律”飛速前行了數(shù)十年之后，制約其進(jìn)一步發(fā)展的系列問題日漸凸顯。科學(xué)家開始思考第四次工業(yè)革命的突破口會(huì)是哪里，其中，量子科技被科學(xué)家認(rèn)為將成為第四次工業(yè)革命的引擎，引爆第四次工業(yè)革命。
量子技術(shù)全稱為為量子信息技術(shù)，是量子物理與信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的新學(xué)科,主要包括量子通信和量子計(jì)算2個(gè)領(lǐng)域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠(yuǎn)距離量子通信的技術(shù)等等;量子計(jì)算主要研究量子計(jì)算機(jī)和適合于量子計(jì)算機(jī)的量子算法。
加拿大滑鐵盧大學(xué)的量子技術(shù)專家延內(nèi)魏因說：“國際上確實(shí)存在量子科研競賽。這個(gè)中國團(tuán)隊(duì)已克服了好幾個(gè)重大技術(shù)與科學(xué)挑戰(zhàn)，清楚地表明了他們?cè)诹孔油ㄐ蓬I(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。”
2016年，英國政府發(fā)布的《量子時(shí)代的技術(shù)機(jī)遇》報(bào)告顯示，中國量子科技的論文發(fā)表排在全球第一、專利應(yīng)用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段，中國異軍突起進(jìn)入“領(lǐng)跑陣營”。
這個(gè)團(tuán)隊(duì)指的就是潘建偉團(tuán)隊(duì)，中國的量子技術(shù)是全世界第一，而這其中要多虧了潘建偉教授。
潘建偉1970年出生于農(nóng)村，從小跟著外婆長大，可是潘建偉的成績卻很好，1987年，17歲的潘建偉考入了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系。
在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)求學(xué)期間，那時(shí)潘建偉很“傲氣”，想著不用留學(xué)，就在國內(nèi)出成績。然而當(dāng)時(shí)國內(nèi)條件差，做實(shí)驗(yàn)，儀器不全；搞理論，僅中國科學(xué)院物理所有較完整的國際物理學(xué)期刊，更缺少參加國際會(huì)議的經(jīng)費(fèi)。他意識(shí)到，必須邁出國門求學(xué)。
1996年，得益于改革開放，潘建偉留學(xué)奧地利，第一次見到了導(dǎo)師蔡林格教授。當(dāng)時(shí)，導(dǎo)師問潘建偉以后有什么打算，潘建偉回答：“我想要在中國建一個(gè)和您實(shí)驗(yàn)室一樣世界領(lǐng)先的量子物理實(shí)驗(yàn)室。”
1999年，年僅29歲的潘建偉作為第二作者的量子態(tài)隱形傳輸實(shí)驗(yàn)取得量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域突破性進(jìn)展，利用“量子糾纏”技術(shù)，借助衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)等經(jīng)典信道，傳輸量子態(tài)攜帶的量子信息。量子態(tài)隱形傳輸是一種全新的通信方式，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息，是未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素。
早在1997年的時(shí)候，蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而1999年，潘建偉參與的的量子態(tài)隱形傳輸實(shí)驗(yàn)更是被被公認(rèn)為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作，
英國物理學(xué)會(huì)將其評(píng)為世界物理學(xué)年度十大進(jìn)展，美國《科學(xué)》雜志列為年度全球十大科技進(jìn)展。
不久，潘建偉的母校中科大時(shí)任校長朱清時(shí)向他發(fā)出回國邀請(qǐng)，可以博士畢業(yè)生身份破格任教授。
朱校長的邀請(qǐng)讓潘建偉非常感動(dòng)，并且回國做貢獻(xiàn)本是初心。在這位開明校長的愛護(hù)下，他一方面繼續(xù)在歐洲做科研，另一方面，從2001年起籌建中科大量子物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室。
在潘建偉的領(lǐng)導(dǎo)下，中國的量子技術(shù)開始領(lǐng)先世界，全球第一。
量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式。在微觀世界里，兩個(gè)糾纏的粒子可以超越空間進(jìn)行瞬時(shí)作用。也就是說，一個(gè)糾纏粒子在地球上，另一個(gè)糾纏粒子在月球上，只要對(duì)地球上的粒子進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)它的自旋為下，那么遠(yuǎn)在月球上的另一個(gè)糾纏粒子的自旋必然為上。
利用這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)光量子通信的過程如下：事先構(gòu)建一對(duì)具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個(gè)粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發(fā)生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌（變化）后的狀態(tài)是對(duì)稱的，然后將聯(lián)合測(cè)量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)接收到的信息對(duì)坍塌的粒子進(jìn)行幺正變換（相當(dāng)于逆轉(zhuǎn)變換），即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。
量子通信要求光源發(fā)射單光子，因?yàn)閱喂庾拥牧孔訝顟B(tài)不可復(fù)制、不可竊聽。由于單光子不可分割、不可復(fù)制，不能像傳統(tǒng)通信那樣進(jìn)行復(fù)制放大，所以百公里幾乎已成量子通信的極限。
潘建偉從研究生開始就已經(jīng)開始轉(zhuǎn)專研量子通信，他有關(guān)實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的研究成果入選美國《科學(xué)》雜志“年度十大科技進(jìn)展”，并同倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對(duì)論等影響世界的重大研究成果一起被《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。
從2003年開始，潘建偉團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)開始立項(xiàng)研究，2007年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在量子通信研究方面取得重要突破，成為在國際上首次實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)安全量子通信的3個(gè)團(tuán)隊(duì)之一。2008年秋天，潘建偉團(tuán)隊(duì)在合肥建立了世界上第一個(gè)光量子電話網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話。2012年，潘建偉團(tuán)隊(duì)在合肥市建成了世界上首個(gè)覆蓋整個(gè)合肥城區(qū)的規(guī)模化（46個(gè)節(jié)點(diǎn)）量子通信網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著大容量的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成熟。
然而，目前已經(jīng)建好的通信網(wǎng)絡(luò)都是通過光纖輸運(yùn)光子，光纖對(duì)光子的固有損耗就限制了量子通信的距離只能在百公里級(jí)。如果想進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子通信，就需要量子衛(wèi)星了。將光子發(fā)射到太空中通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)，光子只需要穿過10公里厚的大氣層，損耗很小，就可能實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)。
也就是說高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達(dá)到1000公里以上。
所以，中國開始研究量子衛(wèi)星，2016年，墨子號(hào)量子衛(wèi)星成功發(fā)射。中國科學(xué)家15日（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）在美國《科學(xué)》雜志上報(bào)告說，中國“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在世界上首次實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的量子糾纏，這意味著量子通信向?qū)嵱眠~出一大步。
《自然》重大科學(xué)事件評(píng)價(jià)稱：“國際同行們正在努力追趕中國，中國現(xiàn)在顯然是衛(wèi)星量子通信的世界領(lǐng)導(dǎo)者。
2017年，中國利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國際上率先成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)。
此次實(shí)驗(yàn)還成功解決了愛因斯坦與玻爾領(lǐng)導(dǎo)的哥本哈根學(xué)派60年未決的EPR之爭，證實(shí)了玻爾的正確性。
這一重要成果為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實(shí)驗(yàn)研究，以及開展外太空廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。
正因?yàn)榇?，《科學(xué)》雜志幾位審稿人稱贊該成果是“兼具潛在實(shí)際現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”并斷言 “絕對(duì)毫無疑問將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會(huì)公眾中產(chǎn)生非常巨大影響”。
從2003年參與項(xiàng)目開始算起，團(tuán)隊(duì)用14年的努力做到了世界第一，領(lǐng)先世界。
在軍事領(lǐng)域，量子衛(wèi)星將徹底杜絕間諜竊聽及破解的保密通信技術(shù)，抗衡外國的網(wǎng)絡(luò)攻擊與防御能力，要知道在未來軍事作戰(zhàn)就靠的是獲取信息的多少，打得是信息戰(zhàn)，而量子衛(wèi)星將徹底杜絕美國獲取我方情報(bào)。
而量子衛(wèi)星也可以民用，潘建偉預(yù)期，通過10至15年左右的努力，中國有望率先建成一個(gè)全球化的量子通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，量子通信可望服務(wù)千家萬戶。
量子計(jì)算機(jī)為什么遠(yuǎn)勝過超級(jí)計(jì)算機(jī)，因?yàn)椴徽撌切∏傻闹悄苁謾C(jī)，還是大型的超級(jí)計(jì)算機(jī)，他們的基本工作原理都是一樣的，都是按照一定規(guī)則處理“0、1”二進(jìn)制數(shù)據(jù)。所有文字、圖片、視頻等信息，在計(jì)算機(jī)中都可以用“0、1”數(shù)據(jù)來表示。例如，字母A在計(jì)算機(jī)里就表示為：01000001，每一位0或者1都被稱為一個(gè)比特。
在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，一個(gè)比特在某次計(jì)算中要么是0，要么是1，只能表示為一個(gè)狀態(tài)。
而如果借由前面所提到的量子疊加態(tài)概念，量子疊加態(tài)是指粒子可以存在于疊加態(tài)中，能同時(shí)擁有兩個(gè)相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。盡管我們?cè)谌粘Ｉ钪谐３Ｃ鎸?duì)“不是A就是B”的抉擇，而但在微觀世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的。
用量子來做計(jì)算機(jī)的比特，則一個(gè)“量子比特”可以同時(shí)既為1，也為0。以10個(gè)比特為例，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一次只能表示0至1023這1024個(gè)數(shù)中的某一個(gè)數(shù)（2的10次方為1024），若這10個(gè)比特為量子比特，則每一個(gè)比特都可同時(shí)表示為0和1，這10個(gè)比特可以同時(shí)表示1024個(gè)數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能表示一個(gè)數(shù)的水平。
因此，量子計(jì)算機(jī)將能夠極大地提升運(yùn)算能力，對(duì)于有著超高復(fù)雜度的問題將有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。
量子計(jì)算機(jī)將會(huì)運(yùn)用于核試爆、高新技術(shù)武器模擬、戰(zhàn)爭設(shè)計(jì)和模擬、情報(bào)獲取和分析等軍事領(lǐng)域，還有在民生領(lǐng)域，如氣候預(yù)測(cè)、疾病醫(yī)療、石油勘測(cè)、材料科學(xué)與計(jì)算納米技術(shù)等等。將推動(dòng)世界科技的大躍進(jìn)。所以全世界都想掌握量子計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算研究的第一個(gè)階段性目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”(亦譯為“量子霸權(quán)”)，即研制出量子計(jì)算原型機(jī)在特定任務(wù)的求解方面超越經(jīng)典的超級(jí)計(jì)算機(jī)。利用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)隨機(jī)線路取樣和利用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣是目前國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的演示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩大途徑。
1、利用光子實(shí)現(xiàn)玻色取樣
線性光學(xué)量子計(jì)算是量子計(jì)算的方案之一。所謂線性光學(xué)量子計(jì)算，就是以光子作為載體，經(jīng)過一個(gè)線性系統(tǒng)完成操作，輸出計(jì)算結(jié)果。實(shí)現(xiàn)大規(guī)模比特的通用量子計(jì)算機(jī)目前看來還具有很苛刻的門檻，于是，科學(xué)家希望能夠首先讓量子計(jì)算在特定任務(wù)上表現(xiàn)出比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更卓越的能力，許多科學(xué)家將目光瞄準(zhǔn)了玻色取樣上。
“玻色取樣”是指，在n個(gè)全同玻色子經(jīng)過一個(gè)干涉儀后，對(duì)n個(gè)玻色子的整個(gè)輸出態(tài)空間進(jìn)行采樣的問題。采樣過程和分布概率息息相關(guān)。
科學(xué)家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，n光子“玻色取樣”的分布概率正比于n維矩陣積和式（Permanent）的模方，從計(jì)算復(fù)雜度的角度來看，積和式的求解難度是“#P-hard”，當(dāng)前經(jīng)典最優(yōu)算法需要O(n2n)步，隨著光子數(shù)的增加求解步數(shù)呈指數(shù)上漲。對(duì)于這樣一個(gè)經(jīng)典計(jì)算#P-complete困難的問題，在中小規(guī)模下就可以打敗超級(jí)計(jì)算機(jī)。
所以玻色取樣就成為了實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的兩大途徑之一，對(duì)于玻色取樣任務(wù)來說，驗(yàn)證其是否從正確的分布中采樣是至關(guān)重要的。目前而言，完全驗(yàn)證還難以做到，因?yàn)閷?duì)于具有量子優(yōu)勢(shì)的實(shí)驗(yàn)來說，經(jīng)典模擬的計(jì)算量將是指數(shù)級(jí)增長的，無法對(duì)大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
2017年5月3日，世界科技界為之側(cè)目，世界上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī)誕生。這個(gè)“世界首臺(tái)”量子計(jì)算機(jī)是貨真價(jià)實(shí)的“中國造”，屬中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學(xué)王浩華教授研究組攻關(guān)突破的成果。
這是歷史上第一臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基于單光子的量子模擬機(jī)，為最終實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算這一國際學(xué)術(shù)界稱之為“量子稱霸”的目標(biāo)，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
在此基礎(chǔ)上，中國科大研究組從而利用自主發(fā)展的國際最高效率和最高品質(zhì)單光子源、最大規(guī)模和最高透過率的多通道光學(xué)干涉儀，并通過與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星在超導(dǎo)納米線高效率單光子探測(cè)器方面的合作，成功實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60×60模式(60個(gè)輸入口，60層的線路深度，包括396個(gè)分束器和108個(gè)反射鏡)干涉線路的玻色取樣實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)成功操縱的單光子數(shù)增加了5倍，模式數(shù)增加了5倍，取樣速率提高了6萬倍，輸出態(tài)空間維數(shù)提高了百億倍。其中，由于多光子高模式特性，輸出態(tài)空間達(dá)到了三百七十萬億維數(shù)，這等效于48個(gè)量子比特展開的希爾伯特空間。因此，實(shí)驗(yàn)首次將玻色取樣推進(jìn)到一個(gè)全新的區(qū)域：無法通過經(jīng)典計(jì)算機(jī)直接全面驗(yàn)證該玻色色取樣量子計(jì)算原型機(jī)，朝著演示量子計(jì)算優(yōu)越性的科學(xué)目標(biāo)邁出了關(guān)鍵的一步。
美國物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站對(duì)該工作的總結(jié)指出：“這意味著量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)里程碑：接近經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能模擬量子系統(tǒng)的地步”
據(jù)潘建偉透露，有希望到2020年實(shí)現(xiàn)“量子稱霸”，也就是超越目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
2、利用超導(dǎo)量子比特實(shí)現(xiàn)隨機(jī)線路取樣
2019年4月，中國科大潘建偉團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了國際上最大規(guī)模超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)12比特“簇態(tài)”的制備。
而要實(shí)現(xiàn)多個(gè)量子比特的糾纏，需要實(shí)驗(yàn)的每個(gè)環(huán)節(jié)（量子態(tài)的品質(zhì)、操控和測(cè)量）都保持極高的技術(shù)水平，并且隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，噪聲和串?dāng)_等因素帶來的錯(cuò)誤也隨之增加，這對(duì)多量子體系的設(shè)計(jì)、加工和調(diào)控帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
潘建偉教授及其同事朱曉波、陸朝陽、彭承志等通過設(shè)計(jì)和加工了高品質(zhì)的12比特一維鏈超導(dǎo)比特芯片，并且采用并行邏輯門操作方式避免比特間的串?dāng)_，以及熱循環(huán)操作去除不需要的二能級(jí)系統(tǒng)對(duì)于比特性能的影響，首次制備并驗(yàn)證了12個(gè)超導(dǎo)比特的真糾纏，保真度達(dá)到70%，打破了2017年由中國科大、浙江大學(xué)、物理所聯(lián)合研究組創(chuàng)造的10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏的記錄。這也是目前固態(tài)量子系統(tǒng)中規(guī)模最大的多體糾纏態(tài)，可為下一步實(shí)現(xiàn)大規(guī)模隨機(jī)線路采樣和可擴(kuò)展單向量子計(jì)算奠定基礎(chǔ)。
要知道，正因?yàn)樽鞒鋈绱俗吭降某删?，潘建偉教?5歲就斬獲了世界大獎(jiǎng)——菲涅爾獎(jiǎng)，這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)每兩年頒發(fā)一次，主要授予在量子電子學(xué)和量子光學(xué)領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的青年科學(xué)家。41歲就成為了院士，而作出如此多卓越的成就，潘建偉教授今年也才49歲，正處于科研的巔峰時(shí)期。
讓我們一起向潘建偉教授致敬，希望他可以作出更多卓越的成果。
