1946年世界第一臺計算機“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，制約其進一步發(fā)展的系列問題日漸凸顯?？茖W家開始思考第四次工業(yè)革命的突破口會是哪里，其中，量子科技被科學家認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。
量子技術全稱為為量子信息技術，是量子物理與信息技術相結合發(fā)展起來的新學科,主要包括量子通信和量子計算2個領域。量子通信主要研究量子密碼、量子隱形傳態(tài)、遠距離量子通信的技術等等;量子計算主要研究量子計算機和適合于量子計算機的量子算法。
加拿大滑鐵盧大學的量子技術專家延內魏因說：“國際上確實存在量子科研競賽。這個中國團隊已克服了好幾個重大技術與科學挑戰(zhàn)，清楚地表明了他們在量子通信領域處于世界領先地位?！?/p>
2016年，英國政府發(fā)布的《量子時代的技術機遇》報告顯示，中國量子科技的論文發(fā)表排在全球第一、專利應用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段，中國異軍突起進入“領跑陣營”。
這個團隊指的就是潘建偉團隊，中國的量子技術是全世界第一，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技術大學近代物理系。
在中國科學技術大學求學期間，那時潘建偉很“傲氣”，想著不用留學，就在國內出成績。然而當時國內條件差，做實驗，儀器不全；搞理論，僅中國科學院物理所有較完整的國際物理學期刊，更缺少參加國際會議的經費。他意識到，必須邁出國門求學。
1996年，得益于改革開放，潘建偉留學奧地利，第一次見到了導師蔡林格教授。當時，導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和您實驗室一樣世界領先的量子物理實驗室?！?/p>
1999年，年僅29歲的潘建偉作為第二作者的量子態(tài)隱形傳輸實驗取得量子信息實驗領域突破性進展，利用“量子糾纏”技術，借助衛(wèi)星網絡、光纖網絡等經典信道，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)牟辉偈墙浀湫畔⒍橇孔討B(tài)攜帶的量子信息，是未來量子通信網絡的核心要素。
早在1997年的時候，蔡林格小組在室內首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫嶒烌炞C，而1999年，潘建偉參與的的量子態(tài)隱形傳輸實驗更是被被公認為量子信息實驗領域的開山之作，
英國物理學會將其評為世界物理學年度十大進展，美國《科學》雜志列為年度全球十大科技進展。
不久，潘建偉的母校中科大時任校長朱清時向他發(fā)出回國邀請，可以博士畢業(yè)生身份破格任教授。
朱校長的邀請讓潘建偉非常感動，并且回國做貢獻本是初心。在這位開明校長的愛護下，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驗室。
在潘建偉的領導下，中國的量子技術開始領先世界，全球第一。
量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。在微觀世界里，兩個糾纏的粒子可以超越空間進行瞬時作用。也就是說，一個糾纏粒子在地球上，另一個糾纏粒子在月球上，只要對地球上的粒子進行測量，發(fā)現(xiàn)它的自旋為下，那么遠在月球上的另一個糾纏粒子的自旋必然為上。
利用這個特性實現(xiàn)光量子通信的過程如下：事先構建一對具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個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)送方的粒子進行聯(lián)合測量（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)，這個狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌（變化）后的狀態(tài)是對稱的，然后將聯(lián)合測量的信息通過經典信道傳送給接收方，接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換（相當于逆轉變換），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，因為單光子的量子狀態(tài)不可復制、不可竊聽。由于單光子不可分割、不可復制，不能像傳統(tǒng)通信那樣進行復制放大，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開始轉專研量子通信，他有關實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的研究成果入選美國《科學》雜志“年度十大科技進展”，并同倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對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21篇經典論文”。
從2003年開始，潘建偉團隊就已經開始立項研究，2007年，潘建偉團隊在量子通信研究方面取得重要突破，成為在國際上首次實現(xiàn)百公里量級安全量子通信的3個團隊之一。2008年秋天，潘建偉團隊在合肥建立了世界上第一個光量子電話網，實現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實時網絡通話。2012年，潘建偉團隊在合肥市建成了世界上首個覆蓋整個合肥城區(qū)的規(guī)?；?6個節(jié)點）量子通信網絡，標志著大容量的城域量子通信網絡技術已經成熟。
然而，目前已經建好的通信網絡都是通過光纖輸運光子，光纖對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。如果想進一步實現(xiàn)遠距離的量子通信，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，光子只需要穿過10公里厚的大氣層，損耗很小，就可能實現(xiàn)全球化的量子通信網絡。
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到1000公里以上。
所以，中國開始研究量子衛(wèi)星，2016年，墨子號量子衛(wèi)星成功發(fā)射。中國科學家15日（當?shù)貢r間）在美國《科學》雜志上報告說，中國“墨子號”量子衛(wèi)星在世界上首次實現(xiàn)千公里量級的量子糾纏，這意味著量子通信向實用邁出一大步。
《自然》重大科學事件評價稱：“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導者。
2017年，中國利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在國際上率先成功實現(xiàn)了千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎上實現(xiàn)了空間尺度下嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗。
此次實驗還成功解決了愛因斯坦與玻爾領導的哥本哈根學派60年未決的EPR之爭，證實了玻爾的正確性。
這一重要成果為未來開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。
正因為此，《科學》雜志幾位審稿人稱贊該成果是“兼具潛在實際現(xiàn)實應用和基礎科學研究重要性的重大技術突破”并斷言 “絕對毫無疑問將在學術界和廣大的社會公眾中產生非常巨大影響”。
從2003年參與項目開始算起，團隊用14年的努力做到了世界第一，領先世界。
在軍事領域，量子衛(wèi)星將徹底杜絕間諜竊聽及破解的保密通信技術，抗衡外國的網絡攻擊與防御能力，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。
而量子衛(wèi)星也可以民用，潘建偉預期，通過10至15年左右的努力，中國有望率先建成一個全球化的量子通信衛(wèi)星網絡，量子通信可望服務千家萬戶。
量子計算機為什么遠勝過超級計算機，因為不論是小巧的智能手機，還是大型的超級計算機，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”二進制數(shù)據。所有文字、圖片、視頻等信息，在計算機中都可以用“0、1”數(shù)據來表示。例如，字母A在計算機里就表示為：01000001，每一位0或者1都被稱為一個比特。
在傳統(tǒng)計算機中，一個比特在某次計算中要么是0，要么是1，只能表示為一個狀態(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，能同時擁有兩個相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。盡管我們在日常生活中常常面對“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。
用量子來做計算機的比特，則一個“量子比特”可以同時既為1，也為0。以10個比特為例，傳統(tǒng)計算機一次只能表示0至1023這1024個數(shù)中的某一個數(shù)（2的10次方為1024），若這10個比特為量子比特，則每一個比特都可同時表示為0和1，這10個比特可以同時表示1024個數(shù)，遠遠高于傳統(tǒng)計算機只能表示一個數(shù)的水平。
因此，量子計算機將能夠極大地提升運算能力，對于有著超高復雜度的問題將有著不可替代的優(yōu)勢。
量子計算機將會運用于核試爆、高新技術武器模擬、戰(zhàn)爭設計和模擬、情報獲取和分析等軍事領域，還有在民生領域，如氣候預測、疾病醫(yī)療、石油勘測、材料科學與計算納米技術等等。將推動世界科技的大躍進。所以全世界都想掌握量子計算機。
量子計算研究的第一個階段性目標是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”(亦譯為“量子霸權”)，即研制出量子計算原型機在特定任務的求解方面超越經典的超級計算機。利用超導量子比特實現(xiàn)隨機線路取樣和利用光子實現(xiàn)玻色取樣是目前國際學術界公認的演示量子計算優(yōu)越性的兩大途徑。
1、利用光子實現(xiàn)玻色取樣
線性光學量子計算是量子計算的方案之一。所謂線性光學量子計算，就是以光子作為載體，經過一個線性系統(tǒng)完成操作，輸出計算結果。實現(xiàn)大規(guī)模比特的通用量子計算機目前看來還具有很苛刻的門檻，于是，科學家希望能夠首先讓量子計算在特定任務上表現(xiàn)出比經典計算機更卓越的能力，許多科學家將目光瞄準了玻色取樣上。
“玻色取樣”是指，在n個全同玻色子經過一個干涉儀后，對n個玻色子的整個輸出態(tài)空間進行采樣的問題。采樣過程和分布概率息息相關。
科學家經過研究發(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，從計算復雜度的角度來看，積和式的求解難度是“#P-hard”，當前經典最優(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。對于這樣一個經典計算#P-complete困難的問題，在中小規(guī)模下就可以打敗超級計算機。
所以玻色取樣就成為了實現(xiàn)量子計算的兩大途徑之一，對于玻色取樣任務來說，驗證其是否從正確的分布中采樣是至關重要的。目前而言，完全驗證還難以做到，因為對于具有量子優(yōu)勢的實驗來說，經典模擬的計算量將是指數(shù)級增長的，無法對大規(guī)模的實驗進行驗證。
2017年5月3日，世界科技界為之側目，世界上第一臺超越早期經典計算機的光量子計算機誕生。這個“世界首臺”量子計算機是貨真價實的“中國造”，屬中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯(lián)合浙江大學王浩華教授研究組攻關突破的成果。
這是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基于單光子的量子模擬機，為最終實現(xiàn)超越經典超級計算能力的量子計算這一國際學術界稱之為“量子稱霸”的目標，奠定了堅實的基礎。
在此基礎上，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單光子源、最大規(guī)模和最高透過率的多通道光學干涉儀，并通過與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所尤立星在超導納米線高效率單光子探測器方面的合作，成功實現(xiàn)了20光子輸入60×60模式(60個輸入口，60層的線路深度，包括396個分束器和108個反射鏡)干涉線路的玻色取樣實驗。
實驗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)空間達到了三百七十萬億維數(shù)，這等效于48個量子比特展開的希爾伯特空間。因此，實驗首次將玻色取樣推進到一個全新的區(qū)域：無法通過經典計算機直接全面驗證該玻色色取樣量子計算原型機，朝著演示量子計算優(yōu)越性的科學目標邁出了關鍵的一步。
美國物理學會Physics網站對該工作的總結指出：“這意味著量子計算領域的一個里程碑：接近經典計算機不能模擬量子系統(tǒng)的地步”
據潘建偉透露，有希望到2020年實現(xiàn)“量子稱霸”，也就是超越目前最快的超級計算機。
2、利用超導量子比特實現(xiàn)隨機線路取樣
2019年4月，中國科大潘建偉團隊實現(xiàn)了國際上最大規(guī)模超導量子比特糾纏態(tài)12比特“簇態(tài)”的制備。
而要實現(xiàn)多個量子比特的糾纏，需要實驗的每個環(huán)節(jié)（量子態(tài)的品質、操控和測量）都保持極高的技術水平，并且隨著量子比特數(shù)目的增加，噪聲和串擾等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對多量子體系的設計、加工和調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、彭承志等通過設計和加工了高品質的12比特一維鏈超導比特芯片，并且采用并行邏輯門操作方式避免比特間的串擾，以及熱循環(huán)操作去除不需要的二能級系統(tǒng)對于比特性能的影響，首次制備并驗證了12個超導比特的真糾纏，保真度達到70%，打破了2017年由中國科大、浙江大學、物理所聯(lián)合研究組創(chuàng)造的10個超導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)，可為下一步實現(xiàn)大規(guī)模隨機線路采樣和可擴展單向量子計算奠定基礎。
要知道，正因為作出如此卓越的成就，潘建偉教授35歲就斬獲了世界大獎——菲涅爾獎，這個獎項每兩年頒發(fā)一次，主要授予在量子電子學和量子光學領域做出杰出貢獻的青年科學家。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。
