潘建偉：量子資訊科學關注兩方面應用，三個階段目標-今日必看

潘建偉：量子資訊科學關注兩方面應用，三個階段目標

來源：一起來護膚釋出時間：2023-05-10 17:11

編纂：李海丹

騰訊科技訊 5月10日動靜，BEYOND Expo 2023本日在中國澳門正式開幕，在上午舉行的開幕式上，中國科協副主席、中國科學院院士潘建偉發表演講。

潘建偉針對量子科技進行了先容和瞻望，他表示，量子資訊科學主要包括兩方面的應用，第一利用量子通訊我們可以提供一種原理上是無條件安全的通訊方式。第二利用量子計算我們可以大幅度的來進步這個運算。

在量子計算方面，實現通用的量子計算機還需要長時間的努力。為了確保該領域的健康發展，學術界微量的計算設定了三個發展階段：第一個階段是要實現量子計算的優越性，量子計算系統對某些特定題目的求解速度已經遠遠超過了經典超級計算機，展現出量子計算本身的優勝。第二階段是構建了專用的量子模擬器，用來求解一些經典計算機難以勝任的特定的複雜題目，好比高溫超導機制等。最後第三階段的目標是但願在量子糾纏的匡助下，實現通用的可程式設計量子計算。

潘建偉說：“在量子計算領域，我們但願在未來的5年可以達到對數百個量子位元的相關操作，構建專用的量子模擬器匡助我們理解一些複雜物理系統規律。”

以下為潘建偉的演講全文：

非常感謝組委會的安排，（答應我以影片的方式參加此次大會）今天給大家先容一下量子科技方面的工作和對本領域的未來瞻望。

2022年的諾貝爾物理學獎頒給了三位量子科技領域的前驅，以表彰他們利用糾纏光子實現了貝爾不等式的違反，並因此開創量子資訊科學。非常高興的是，在2022年諾貝爾物理學獎的新聞釋出會和科學背景先容中，都對中國科學家的相關工作進行了重點先容，包括墨子號量子衛星實現星地的金鑰分發、地星量子隱形傳態以及我們最近的裝置無光的量子金鑰分發的工作。為了便於大家的理解。

首先請答應我對量子疊加原理進行扼要的先容。在我們的日常生活中，一隻貓在某一個確定的時刻只能處於活或者死狀態裡面的某一個。然而根據量子疊加原理，在量子事件當中一隻貓可以同時處在兩種狀態，相關疊加。當把量子疊加原理拓展到多粒子體系，我們就可以得到量子糾纏的概念。

例如在量子世界當中的兩隻貓，可以同時處於活活死死狀態的相關疊加，這種狀態就像兩個骰子一樣，不論他們相聚多麼遙遠，其中一個擲出的點數和另外一個一定是一樣的。愛因斯坦將量子糾纏的這種現象稱為遙遠地點之間的詭異的互動。在物理上任何兩能級的系統都可以用來構建一個量子位元。好比我們可以用一個光子水平和素質兩種極化狀態來編碼一個量子位元的資訊，對於兩光子的量子系統就可以處在以下4個最大的極化糾纏之中，再透過貝爾不等式來檢修量子力學被定義的過程，物理學家從中發展出可對量子系統進行高精度的調控的量子技術，從而導致了量子資訊科學的誕生。量子資訊科學主要包括兩方面的應用，第一利用量子通訊我們可以提供一種原理上是無條件安全的通訊方式。第二利用量子計算我們可以大幅度的來進步這個運算。

量子金鑰分發是最聞名的量子通訊協議，可以實現基於單光子的量子金鑰分發，從而在兩個使用者之間產生安全的金鑰，再結合一事一議，就可以實現無條件安全的資訊傳輸。

同時利用主要的方案，也可以實現基於量子糾纏的量子金鑰分發。在量子計算當中，人們是利用量子位元來編碼資訊，利用量子疊加原理實現了超快的平行計算，從而在原理上可以達到指數級的加速。大數分解演算法是目前最聞名的量子演算法，這裡舉個例子，好比要分解一個300位的自然數，利用每秒運算萬億次的經典計算機需要15萬年，而同樣運算速度的量子計算機則只需要一秒鐘。因此量子計算機可以用來解決經典密碼的破解、天氣預報、金融分析和藥物設計等多個領域。為了實現廣義的量子通訊網路，我們可以利用光纖來構建城域量子通訊，利用量子中繼來實現兩個城市之間的城際量子通訊，在量子衛星平臺進一步的匡助下，可以實現遠距離的量子通訊。

我國科學家經由近20年的努力，成功研製了世界上首顆量子科學衛星墨子號並在2016年8月成功發射。到了2017年9月，遠距離光纖量子通訊骨幹網——京滬幹線正式開通。結合墨子號和京滬幹線，我們在廣域量子通訊網路雛形的技術上已經初步驗證了建立一體化的量子網路，在原理上是可行的。

而在量子計算方面，實現通用的量子計算機還需要長時間的努力。為了確保該領域的健康發展，學術界微量的計算設定了三個發展階段。第一個階段是要實現量子計算的優越性，量子計算系統對某些特定題目的求解速度已經遠遠超過了經典超級計算機，展現出量子計算本身的優勝。第二階段是構建了專用的量子模擬器，用來求解一些經典計算機難以勝任的特定的複雜題目，好比高溫超導機制等。最後第三階段的目標是但願在量子糾纏的匡助下，實現通用的可程式設計量子計算。

在2020年我們實現了76個光子的量子計算原型機“九章”。“九章”在求解高斯波斯取樣特定的題目上，速度是當時最快的經典超級計算機的10萬倍，之後我們的系統進行不斷的進級，近期我們已經實現了255個光子的933號光量的計算原型機，它針對特定題目的求解能力已經比經典的超級計算機快1000萬億倍。為了在未來實現全球化的量子通訊，我們需要克服目前衛星量子通訊所面臨的困難。一是單顆的低軌衛星沒辦法直接籠蓋全球。二是目前的衛星還只能在D區工作，而相應的解決方案是透過發射多顆低軌衛星來構成一個高效率的衛星網路，也就是說在所謂量子星座的基礎上，我們可以發射具有更長過境時間的中高軌的衛星，以此來分發更多的金鑰。而這些方案實現了一個根本的條件，就是需要衛星能夠在太陽輻射的背景下進行工作。在2017年的時候，我們已經實現在日光背景下的遠距離自由空間量子通訊的地面實驗，驗證了量子通訊是全天可行的，實現了實用化、低成本和輕量化的微量量子衛星。

國際上首顆微納量子衛星濟南一號已經在2022年7月發射，它載荷的重量只有20公斤，與墨子號比擬已經得到了大幅度的減少。當前我們正在研製第一顆中高軌量子衛星，計劃2026年前後發射。除了要實現量子金鑰分發之外，這也為中高軌衛星量子精密丈量提供了新的平臺。我們利用中高軌量子衛星實現萬公里量級的量子糾纏分發，在未來藉助全球化的糾纏分發將多個原子糾纏起來，從而可以大幅度的進步原子中的不亂。

與此同時，我們計劃在中高軌衛星上搭載一顆超高精度的光鍾，它的穩定度將達到10的-19次方，也就是說一天一年它的誤差不超過一秒。利用高精度的光鍾和高精度的光頻標的傳輸，就可以實現全球化的高精度晉升，比擬當前微波受損的準確度可以進步4個數量級，為新一代的秒定義提供了相應的技術支撐。在外太空因為磁場和地球引力的噪聲極其微弱，所以在原則上光鐘的穩定度可以達到10的-21次方。利用超高精度的光鍾和超高精度的光頻傳輸，我們可以在外太空構建一個的干涉，利用干涉儀開展一些物理學基本原理的檢修，包括暗物質的探測和引力波的探測等等。

在量子計算領域，我們但願在未來的5年可以達到對數百個量子位元的相關操作，構建專用的量子模擬器匡助我們理解一些複雜物理系統規律。好比高溫超導的機理，量子霍爾效應等等。透過10~15年的努力，我們但願能夠操作上百萬個量子位元，並實現量子糾纏初步構建可程式設計的通用量子計算機，我的先容就到這裡，謝謝大家。

編纂：李海丹

騰訊科技訊 5月10日動靜，BEYOND Expo 2023本日在中國澳門正式開幕，在上午舉行的開幕式上，中國科協副主席、中國科學院院士潘建偉發表演講。

以下為潘建偉的演講全文：

非常感謝組委會的安排，（答應我以影片的方式參加此次大會）今天給大家先容一下量子科技方面的工作和對本領域的未來瞻望。

編纂：李海丹

騰訊科技訊 5月10日動靜，BEYOND Expo 2023本日在中國澳門正式開幕，在上午舉行的開幕式上，中國科協副主席、中國科學院院士潘建偉發表演講。

以下為潘建偉的演講全文：

非常感謝組委會的安排，（答應我以影片的方式參加此次大會）今天給大家先容一下量子科技方面的工作和對本領域的未來瞻望。

編纂：李海丹

騰訊科技訊 5月10日動靜，BEYOND Expo 2023本日在中國澳門正式開幕，在上午舉行的開幕式上，中國科協副主席、中國科學院院士潘建偉發表演講。

以下為潘建偉的演講全文：

非常感謝組委會的安排，（答應我以影片的方式參加此次大會）今天給大家先容一下量子科技方面的工作和對本領域的未來瞻望。