中国科大潘建伟团队新成果！量子计算原型机九章四号问世

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由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队研制的新一代光量子计算原型机“九章四号”，于5月13日在刊名为《自然》的杂志上发表。研究团队进行了估算，倘若使用当前全球最快的超级计算机El去模拟它在时长为25微秒内的输出，所需耗费的时间会超过1042年，并且超出了当前所估算的宇宙年龄32个数量级。

爱因斯坦曾提出对量子纠缠的“幽灵”疑问，之后“九章”“祖冲之号”等量子计算原型机相继不断刷新世界纪录，量子科技正在达成从理论猜想朝着工程应用的历史性跨越。量子领域作为新一轮科技革命以及产业变革的战略制高点，其基础突破与技术创新，正在全面重新塑造计算、通信、感知与智能的边界，引导数字文明加快走向量子时代。

今朝，中国科协之声跟您一块儿踏入国家科技传播领域学术进化讲堂里头，去听听量子物理学家陆朝阳这等人物怎样洞察量子技术往后的趋向→。

人物简介

那个名为陆朝阳的人，身为量子物理学家，是中国科学技术大学的讲席教授，同时还是世界青年科学家联合会的理事长，他长时间以来都专注于朝着实用化方向发展的量子信息技术研究呢。

从第一次量子革命到第二次量子革命

量子力学问世已经有一百多年时间了，它促使了两次意义重大的技术革新。首度量子革命产生了晶体管、激光、互联网、核磁共振、LED等关键技术，这些技术深入地融入到现代生产以及生活之中。一部平常的手机就整合了CCD、锂电池、巨磁阻、石墨烯、晶体管等多项获得诺贝尔奖级别的与量子相关的成果，它改变了人类的生活以及技术应用的形态。1947年在贝尔实验室诞生的第一代晶体管，经过了几十年的发展进步，变成了如今手机里从几十到数百亿个的核心器件，这恰恰就是第一次量子革命的具有代表性的成果。

手机中包含的诺贝尔奖

现今，量子计算变成第二次量子革命的关键构成部分，它不但是国家战略着重布局的领域，还成了全球科技竞争的核心要点。欧洲、美国，从国家层面开始，到谷歌、IBM、微软、英特尔、英伟达等全球著名科技公司，都增加了量子计算的研发投入。近些年来，我国在量子科技领域的迅速突破，更是引发了全球关注。

量子世界的底层逻辑：

颠覆经典认知的科学规律

量子的概念称的是物质跟能量离散化的基本单元，光的最小量子单元乃光子，一个40瓦灯泡每秒能够释放万亿亿个光子，组成人体以及万物的原子、分子，尺寸比纳米还要小10至100倍，微观尺度里的量子世界，遵循着跟宏观世界全然不同的规律。

处于量子计算理论基础地位的是量子相干叠加原理，单电子双缝干涉实验直观地证明了，在没有观测的情况下，单个电子能够同时穿过两条狭缝，达成“自己与自己进行干涉”，进而呈现出多条干涉条纹，量子比特能够同时处于0和1的叠加状态，恰似孙悟空的分身法术，打破了经典计算机“非0即1”的信息逻辑，经典计算机需要逐个进行计算，量子寄存器则能够同时储存所有状态并一次性完成计算，依据特定的算法设计来实现量子干涉读出结果。

量子测量里的塌缩效应显示出，观测行为自身会对量子态产生影响，在不进行观测的时候，粒子处于那种“同时通过两条缝”的叠加状态，进而呈现出干涉条纹，然而一旦进行观测，粒子就会被迫去“选择”其中的一条路径，然后塌缩成为经典的结果，随之干涉条纹就消失了。

爱因斯坦不想相信这是量子世界的本质规律，所以尝试设计一个“最小干扰”的思想实验，用一个极其灵敏的弹簧吊着狭缝，想要在不干扰粒子的情形下检测它从哪条路径过去。中国科学技术大学去年所做的实验成功得以用一个单原子检测到了一个光子的微小动量变化，也就是8×10-28千克·米/秒，在量子极限层面验证了玻尔的互补性原理。

单原子实现反冲狭缝思想实验终结爱因斯坦与玻尔世纪之辩

1935年，薛定谔提出了“薛定谔的猫”思想实验，该实验把量子叠加拓展到了宏观物体，这进一步引发了学界的思考，并且薛定谔还和爱因斯坦等人分别独立催生出了量子纠缠这一关键概念，即两个纠缠粒子不管相距多远，都存在着超时空关联。

先在实验里达成量子纠缠的我国物理学家是吴健雄，基于量子纠缠的量子隐形传态能够达成量子态的远距离传输，入选《 World》全球物理学年度突破的中国科学技术大学科学家所实现的多自由度量子隐形传态，为量子计算与量子通信奠定了技术基础。

“九章”系列突破：

中国光量子计算的跨越

早在1959年的时候，物理学家费曼提出了一种构想，又在1981年，他再次提出了同样的构想，那就是在量子层面去构建新型计算装置。在2015年前后，摩尔定律出现了放缓的情况，晶体管尺寸逐渐逼近量子尺度，经典算力遭遇了瓶颈，于是费曼的构想成为了量子计算探索之路的起点。

70年来晶体管尺寸变化和发展

谷歌花费了10亿美元去研发53比特超导量子计算芯片“悬铃木”，它宣称200秒能够完成超算一万年的工作量，然而中国科学技术大学以及上海人工智能实验室的经典算法，已把该任务的耗时缩到了17秒，而且能耗低15倍，这打破了其量子优越性的宣称。

在这样的背景状况之下，我国自主的光量子计算路线，成功把量子光源这一核心难题给攻克了，把量子线路这个关键难点取得了突破，还将单光子探测此项重要复杂点给战胜解决了。凭借我国团队，突破了高质量高效率单光子源、高精度锁相与多光子干涉等着作权技术，集齐了量子计算核心技术的“龙珠”，获得接连不断的重大突破：在2020年底，“九章一号”实现了76个光子的操控过程；半年之后，“九章二号”实现了突破100个光子的目标；在2023年，“九章三号”达到了255个光子的成果；当下，“九章四号”已经完成了3000多光子的实验任务，25微秒就能成功解决超算需要1042年才能够完成的高斯玻色取样任务。“九章”系列成果，多次入选联合国教科文组织年度十大进展，多次入选美国物理学会年度十大进展，多次入选德国Walls等机构年度十大进展，处于国际领先水平，引发美国科学家跟进研究，引发加拿大科学家跟进研究，引发德国等科学家跟进研究。

同一时间，我国于中性原子量子当中也使计算方面有了关键的进展，两比特门保真程度占据了达到呈现了99.8%的国际水准水平，达成实现了2000多个以上数量的物理比特使其受规范化的操控，为通用的量子计算积攒积累了技术性底基础。

量子计算的战略价值：

Q-day（量子日）与密码安全

量子计算最为关键的战略价值，存在于对全球范围密码体系的颠覆性作用之中。陆朝阳作出表示，一旦大规模具备容错特性的量子计算机现世，现有的公钥RSA也就是公钥加密算法以及椭圆加密算法将会被完全破解，这会直接撼动金融、政府通信、区块链乃至部分军事网络的安全基础。当下，多个国家的情报机构已经开始采取“先存储密文、之后进行量子破解”的举措，提前去拦截存储的数据，等待量子技术成熟之后再进行解密。

按照对全球五十多位量子计算专家所做调查呈现的情况，约十年之后会出现能够破解 RSA（公钥加密算法）的量子计算机的概率大概是 50%，并且相关预测时间持续提前。破解所需的物理比特资源不断裁减：那是从最开始的 10 亿个逐步走向下降，最新的研究甚至表明仅仅需要 1 万个。我个人作出的预测是，破解椭圆加密算法大约需要 7 年，破解 RSA 算法大约需要 10 年。

此刻，量子计算发展的关键挑战并非在于比特的数量多少，而是在于比特的质量优劣境地 ，就算两比特门保真度已然达到了99.8% ，然而在历经多比特以及多层逻辑门运算后，这个量子态保真度就会呈现出指数级衰减的状况 ，来自谷歌等一类团队已经借助量子纠错达成了指数级错误率的压制成果 ，我国在中性原子量子纠错以及高保真度比特操控这两方面也获得了突破成就 ，正一步步朝着容错通用量子计算稳健地迈进。

产业发展需保持理性，坚守核心方向

目前，量子计算基础研究正处于快速发展状态，然而，市场之上出现了诸如量子速读、量子水、量子鞋垫等伪量子概念的产品，部分量子计算初创企业，在量子应用方面进行夸大宣传，宣称量子产品已然能够应用于人工智能、金融以及医疗等领域，而这些宣称，当前还不存在严谨的学术证明。当下，量子计算仍旧处于专用化发展的初期阶段，仅仅能够解决特定的数学问题，过度炒作以及资本盲目入局，会致使产业出现泡沫化，破坏健康的生态。

量子计算发展趋势

量子计算的发展，其核心战略价值存在两个方面，一方面是要对国家密码安全予以保障，从而能够应对量子破解可能带来的安全挑战，另一方面是要开展针对强关联多体物理系统的量子模拟，以此来服务基础科研以及产业升级。在此情况之下，产业界应当将重点放在核心技术的攻关上面，构建起一种基础研究、技术攻关以及成果转化的良性生态，同时摒弃掉短期功利主义以及虚假宣传这种行为。

人工智能赋予能量，量子科技已然成为重要方向。中国科学技术大学以及上海人工智能实验室第一次借助AI达成了中性原子量子计算的常数时间重排。不管比特数量是多少，重排时间始终保持恒定。此项成果被选入国际物理学年度进展，为量子计算规模化发展提供了全新技术路径。

青年人才是量子科技发展的核心支撑

大学期间我状况百出，迷茫得不行，各种专业都去试探了一番，之后听闻潘建伟教授做科普报告，其呈现的量子物理发展前景，把我对科学研究的所有幻想都给填满了，这才定下选择这个学科。科学研究常讲要顶天立地，就好比量子物理，它能够将人类对于物理学、对于大自然认知的边界予以拓展，故而算是顶天；与此同时，我们能够瞧见量子计算存在诸多实际的落地应用，因此这便是立地了。

我国具备着世界范围内人员规模最为庞大、素质最为高超的青年科研人才以及工程人才之局面，这状况可是我们投身国际竞争之时那坚不可摧的底气所在。“九章一号”的研发主要力量是那些出生于90后、95后的群体，“九章二号”“九章三号”的构成则是以95后、00后作为主体部分，“九章四号”当前已处于由00后这些科研人员占据主导地位的情形。而在今后，量子计算能够实现大规模应用的希望，得寄托在更为年轻的10后、20后，也就是在座的诸位听众，甚至是比诸位年龄还要小的那一代人群体身上。

在2000年初之际，众人皆认为量子计算颇具科幻色彩，觉得其发展起来得耗费50年时间，然而，我们常常会过度高估未来一年所能达成之事，却又低估未来十年能够完成之事。在2015年我们荣获国家自然科学一等奖时，达成了8个光子的水准，那时有记者进行询问，再过五年你们能够达到怎样的水平？我们当时鼓足胆量、充满勇气地表示希望能够做到20个光子，可是在2020年却做到了100个，如今更是做到了3000个。量子计算当下也处于加速发展的态势之中，我们也都越发拥有信心。

在对谈环节当中，担任学术主持人的是陆朝阳，他要和北京理工大学物理学院量子技术研究中心担任长聘教授一职的尹璋琦，以及清华大学交叉信息研究院担任长聘副教授一职的邓东灵，还有中电信量子信息科技集团有限公司担任副总经理职务的王振，一同围绕量子科技前沿突破、产业落地路径与青年人才培养等方面展开深度对谈。

宏观量子叠加的边界与理性产业投资

尹璋琦就围绕量子与经典这个层面的边界来着手施展分享行为，他对团队把细菌等生物体引入量子叠加态这段研究工作予以介绍，表明当下能够达成量子叠加操作的有机分子已然达到有着数千上万个原子尺寸大的程度，对于更大尺寸的情况下或许将会遭受如引力之类因素的关联影响，他做出预测在2035年间能够达成RSA（公钥加密算法）密码破解这个事情，此外还充满着期待量子计算活动能够助力新药的研发生成、降低医疗成本支出。

提到产业投资的范畴，他给出建议，产业界要维持冷静，多多留意测控系统，还有软件工具这类通用底层技术，以此为整个研究领域赋予能量，进而支撑未来十年的进步发展。

量子计算规模化没有原则性障碍，

技术路线尚未收敛

邓东灵关注量子计算规模化以及量子人工智能发展去聚焦，他讲量子系统规模加大主要的面临挑战是退相干效应，然而就原理方面来看，大规模去扩大量子计算机不存在根本性质障碍，当前各类量子计算技术线路依旧没有收敛，量子跟人工智能相融有着广阔前景，量子技术能够于信息存储、自动证明、算力能耗、数据安全等方面给出新的解决办法。

他期望，量子日来临之后，能够有安全节能的情况出现，并且本地算力充足的量子智能体也会出现，与此同时，他呼吁产业界要理性进行投资，还要杜绝夸大宣传以及虚假炒作。

量子产业是“未来产业”，

资本需保持理性自律

王振进行评估，约四年之后将会迎来量子安全的关键节点，他主张要提前去开展密码迁移以及防御布局。他表明，量子产业是属于国家重点展开布局的未来产业，其技术路线仍然在持续不断地演进，产业整体情况还尚处于培育成长的阶段。产业发展在面对热潮的时候，既要抓住其中的机遇，又要保持冷静自律，坚决去抵制过度性质的宣传、虚假的炒作行为，还要避免出现资本泡沫。

于人才需求这块儿而言，王振觉得产业界特别需要那种有着极度强烈好奇心以及内在自我驱动动力的人才。他还给出建议，要预先搭建起量子、超算、智算相互融合的算力体系，从而为量子算力的降临做好相应准备。

活动现场，有百余名大学生，他们来自相关高校、院所，还有研究生，以及中国科协青培工程入选者参加，并且这些人与嘉宾进行了热烈交流。

尚有哪些会对光量子计算机商业化造成阻碍的问题呢，最具可能性实现落地的会是光量子计算机吗？

陆朝阳

中国科学技术大学讲席教授

世界青年科学家联合会理事长

光量子计算机归属于专用量子计算范畴，重点致力于解决诸如高斯玻色取样类的特定数学问题，它是以一种插件或者加速卡的形式存在。其下一步朝着通用容错量子计算迈进，而最关键的技术瓶颈在于达成两个相互独立单光子之间具备确定性特质的相互作用，现阶段在国际上唯有我国团队正在展开探索性的研究工作，一旦取得突破，便有希望达成室温下的光量子计算机以及与量子互联网能够兼容的分布式计算。

邓东灵

清华大学交叉信息研究院长聘副教授

光量子计算于玻色取样、生成式模型等专用场景当中，呈现出颇为显著的优势，然而，若要达成通用化应用，仍旧需要去攻克光子彼此之间相互作用这个难题，现下，量子计算所采用的技术路线尚未最终实现收敛，涵盖光量子在内的多种技术路线均存在率先得以落地的可能性。

量子计算和量子精密测量如何实现规模化、工程化的应用？

尹璋琦

北京理工大学物理学院量子技术研究中心长聘教授

量子科技里，量子精密测量是落地最早的领域，原子钟已实现商用，原子磁力计、量子陀螺仪等能够用于地质勘探以及导航，在生命健康领域，金刚石色心技术可把生物探测精度提高到单细胞尺度，国内好多公司已就这方面开展了诸多产业化工作。

国家科技传播中心学术发展讲堂

中国科协着力打造的一档学术栏目，是国家科技传播中心学术发展讲堂，该讲堂突出前沿性、思辨性和传播性，面向科技工作者，特别是青年科技工作者，传播学术领域前沿发展动态。讲堂持续邀请战略科学家、一流科技领军人才以及创新团队讲述前沿探索，通过突破传统的方式，讲述卓有成效的改进方法，还有颠覆认知的创新理论以及改写行业规则的研究成果。

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