中國的量子躍遷 | 袁嵐峰

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導讀：我希望，我們每一位朋友和我們整個國家，都能超越自己，實現量子躍遷。
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本文是作者2022年1月參加字節跳動主辦的年度活動“新知十講特別策劃”的演講文稿，視頻見。

大家好，我是科技袁人袁嵐峰，來自中國科學技術大學。感謝字節跳動邀請我參加年終特別策劃，作為十大年度知識人物之一來講講今年的“變化”。確實，2021年對我和對整個中國科學界來說都發生了重要的變化。

最顯著的變化之一，是中國在量子計算領域也達到了世界領先。以前中國是在量子通信方面領先，在量子計算方面落后于美國，然后2020年跟美國達到了并駕齊驅，而今年又在某些方面超越了美國。

不久前，大家可能都看到了一個實驗室漏水、學生搶救受獎勵的報道?？梢愿嬖V大家的是，那就是我所在的實驗室！就是合肥微尺度物質科學國家研究中心，簡稱微尺度。

這個故事是這樣的。11月21日凌晨兩點，有一位同學去做實驗，發現有個房間在漏水，波及到了自己的實驗室。在這個實驗室內有180個通道的超導納米線探測器，如果沒有得到及時處置，將造成至少2400萬元的經濟損失，而且會延誤“九章三號”實驗一年以上。他立即召集隔壁的四位其他同學一起引水，并通知物業關閉了水閥。事后，微尺度決定獎勵這五位同學12萬元。

其實這事剛一出來，我就收到了微尺度的通報信件。我看完以后就默默地把它放在一邊，沒有跟任何人說。每當我科普一個比較神奇的科技，都會有人在評論區說擔心泄密，但實際上我對保密的警惕性是非常高的。然而一天之后，就有不知道什么人把這消息發到自媒體上去了，然后一下子全國的自媒體都在報，然后全國的官媒都來報。令我和同事們欣慰的是，讀者的反響都很正面，這成了一件神奇的壞事變好事。我們中國人民還是很可愛的！

關于對理化大樓06-004實驗室漏水進行及時處置的相關人員進行獎勵的通報

在這則新聞中有好幾個關鍵詞。許多人注意到了“凌晨兩點”，感嘆科大的學生這么勤奮。許多人注意到了“獎勵12萬元”，稱贊科大的領導很有魄力。不過在技術上，最重要的關鍵詞是“九章三號”，因為它是中國正在研制的、世界上最先進的光量子計算機。

2020年12月4日，第一代的“九章”量子計算機全世界刷屏，它對“玻色子取樣”這個問題超越了最強的經典計算機一百萬億倍，標志著中國在量子計算領域跟美國達到了并駕齊驅，領先其他國家。2021年10月26日，“九章”升級成了“九章二號”，光子數從76增加到113，對經典計算機的優勢從一百萬億倍增加到了一億億億倍，即從10的14次方增加到10的24次方，又提高了10個量級?！熬耪氯枴睍_到什么程度呢？非常值得期待。通過這次的報道，讓全國人民都知道了“九章三號”的存在，這也是個意外的收獲。

九章二號1

九章二號2

其實在這之前不久，還有一個只有專業人員注意而普通群眾不太清楚的進展，就是中國消滅了美國的量子優越性。請注意這不是個情緒性的表述，不是說中美兩國在進行你死我活的搏斗，而是說量子計算機和經典計算機在賽跑，美國本來讓量子計算機取得了優勢，最近中國科學家又改進了經典計算機，讓它反超了量子計算機。這是一個良性競爭，是量子和經典雙方在互相學習、共同進步，而不是零和博弈。

讓我們具體解釋一下。所謂量子優越性（quantum advantage），就是對某個問題，量子計算機超過最強的經典計算機。例如九章這一系列，就對玻色子取樣這個問題實現了量子優越性。其實這個概念剛提出來的時候叫做量子霸權（quantum supremacy），后來許多人覺得這個詞聽著像霸權主義，讓人不舒服，所以現在更多地叫做量子優越性了。但這只是個修辭的問題，無論叫量子霸權還是量子優越性，實質意思都是一樣的。
2019年10月23日，谷歌宣布自己的量子計算機“懸鈴木”（Sycamore）實現了量子優越性。它處理的問題叫做“隨機線路取樣”，這是一個對經典計算機十分困難、而對量子計算機相對容易的任務。懸鈴木取樣200秒獲得了100萬個數據，而當時最快的超級計算機“頂點”（Summit）獲得同樣的數據需要一萬年，所以實現了量子優越性。
然而，在那之后立刻有很多團隊來改進經典算法，力圖反超懸鈴木。例如IBM立刻提出了一種方案，可以把經典計算機的時間縮短到兩天半。當然兩天半還是比200秒長，但差距已經大為縮小了。這有助于大家理解，這是量子和經典之間的競爭，而不是中美國家之間的競爭，你看IBM也在努力推翻谷歌的優勢嘛。其他一些機構，如阿里巴巴達摩院，在這個目標上也取得了成果。

2021年11月，經典計算機實現了突破。中國科學院理論物理研究所張潘研究員的團隊對經典算法做出了重大改進，15個小時就完成了懸鈴木的任務。你也許會說，15小時還是比200秒長?。渴堑?，但張潘他們用的只是一個512塊GPU的計算集群，這個計算能力是很小的，只是用來演示算法。他們預測，把這個計算遷移到我國最新的超級計算機即新神威上，就可望在幾十秒內完成，短于200秒。這就正面擊敗了懸鈴木。因此，理論物理所報道這項工作的標題就叫做《谷歌量子霸權的瓦解》。


從量子計算的角度，來看一下當前的大圖景。中國在至少一種物理體系上實現了量子優越性，即九章系列用的光學體系，這也是人類目前唯一可靠的量子優越性。美國原本在懸鈴木的超導體系上實現了量子優越性，但現在被經典計算機反超了。所以美國實現量子優越性的體系數從1變成了0，又跟其他國家一樣了。

在美國原本具有優勢的超導體系上，中國也在大踏步地前進。2021年10月26日，潘建偉團隊在宣布九章二號的同時，還宣布了另一臺量子計算機，叫做“祖沖之二號”。它是今年5月6日發表的“祖沖之號” 的升級。祖沖之二號跟懸鈴木一樣也是超導體系，執行的任務也是隨機線路取樣，但復雜度比懸鈴木高得多。這就引出了一個有趣的問題：張潘等人的經典算法能不能反超祖沖之二號？我問了張潘，回答是不知道，因為他們還沒來得及研究祖沖之二號。所以你看，中國內部也在進行量子與經典的競爭。


總結一下，中國有量子優越性的物理體系數可能是1，即光學，也可能是2，即光學加超導。而其他國家都是0，包括美國從1變成了0，所以中國在這方面世界領先。

當前最有趣的是，最強的量子計算機是中國造的，最強的反超量子計算機的經典算法也是中國提出的。這場“左右互搏”十分奇妙，中國在量子計算領域和經典計算領域都在引領世界。

量子信息這門學科，包括量子計算、量子通信和量子精密測量三部分。下面，我們來講講今年中國在量子精密測量和量子通信的成果。

一個最近的例子，是11月29日人民日報微信公眾號發了篇文章《中科大發布新成果！》，點贊上萬。可以看出人民日報的編輯和絕大多數讀者一樣，都是“我看不懂，但我大受震撼”，于是起了這么一個既自豪、又懵懂、又放棄治療的標題，僅僅說“中科大發布新成果”，結尾嘆號，完全沒說這是個什么成果。

實際上，這是我的同事和朋友彭新華教授團隊的成果，她幾個月以前就跟我說了這件事。最近論文正式發表了，于是開始通報媒體宣傳了。我給大家簡單地解讀一下，這是一個探測暗物質的工作。

請大家看這兩張圖。前一張是以前的大型天文學觀測給出的暗物質界線，就是說暗物質只可能存在于這條界線之下。這條界線還比較高，所以我們看到暗物質粒子在里面游來游去，嬉皮笑臉。后一張是彭新華等人用量子精密測量的方法給出的新界線，比以前一下子低了5個數量級。所以我們看到，暗物質粒子在里面沒多少地方可游了，愁眉苦臉。好比在一個魚塘里抓魚，我們可以說，量子科技承包了這片魚塘！


有人也許會問，這個成果能不能得諾貝爾獎？回答是：還不能，因為它只是縮小了暗物質可能出現的范圍，還沒有找到暗物質。也就是說，它處于“工欲善其事必先利其器”的階段。如果將來找到了暗物質，那當然就遠不止是諾貝爾獎了，而是引發科學革命。

在量子通信領域，中國有非常明確的優勢，大約領先歐洲3至5年，領先美國5至8年。
2021年1月7日，潘建偉等人發表論文，宣布建成了天地一體化的量子通信網絡，即天上的“墨子號”量子科學實驗衛星加地上的“京滬干線”量子通信骨干網。墨子號是2016年發射的，京滬干線是2017年開通的，這篇論文是對它們幾年來運行情況的總結。基本結論是，廣域量子保密通信技術在實際應用中的條件已初步成熟，為未來覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。

經過幾年的媒體宣傳，許多人可能都知道了，量子通信的主要作用是保密傳輸。這是正確的，但這個天地一體化量子通信網絡的作用還不止于此，它是全人類一個重要的科學研究平臺。

例如2019年9月20日，潘建偉等人在《Science》發表文章，用超大尺度量子干涉的實驗探索了量子力學與廣義相對論的融合。什么叫量子力學與廣義相對論的融合？量子力學與廣義相對論是當前物理學的兩大基礎理論，但你仔細想想就會發現，基礎理論居然有兩個，正說明它們都還不夠基礎。真正基礎的理論，應該只有一個才對。所以物理學家在努力把兩者統一起來，這是整個科學界最重要的前沿之一。

具體而言，近年來，有澳大利亞學者提出了一個理論模型，叫做“事件形式”。他們預言，處于量子糾纏的光子對在地球引力場中傳播時，關聯程度會損失。所以我們可以通過觀測這個效應，來檢驗這個理論。

這樣的實驗原本沒法做，但現在有了墨子號就可以做了，因為墨子號可以向地面相距上千公里的兩個地方發出糾纏光子對。實驗檢驗的結果，是沒有觀測到關聯有損失，所以否定了澳大利亞學者的理論。不過這個理論并沒有死透，如果想拯救它，就要對它進行修正。中國未來發射的高軌道量子科學實驗衛星，會對修正后的理論進行檢驗。

比具體結論更重要的是，人類終于有了這樣的實驗條件，能夠研究這樣基礎的問題。所以中國的天地一體化量子通信網絡不止是中國的財富，而且是全人類的財富。這才符合毛主席的期望：中國應當對于人類有較大的貢獻。

講完了中國量子信息科學界的變化，來講講我自己的變化。最顯著的變化，就是我出版了第一本科普著作，標題叫做《量子信息簡話》。我講過很多領域的科普，但講得最多的就是量子信息。而量子信息，也正是近年來最熱的科技領域之一。

來源: 風云際會（合肥）文化傳播有限公司

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