量子计算竞速时代，中国“量子鬼才”如何屡屡取得先机

2008年，北京成功举办了奥运会，至今正好是十年。在当时，中美两国互联网网民总合低于5亿人；人工智能被叫做模式识别；中本聪也才刚刚提出区块链的概念。现如今，人们发现了石墨烯的新制法，利用CRISPR/Cas9战胜了过去不可治愈的病症，甚至还回收了火箭。

在十年之前，这些事情人们还很难做到。

科学家们的薪火不断地传承，推动着社会的车轮向前跃进，最终造就了美好生活。其实今天的我们和十年前是一样的，仍无法预测科技会发展成什么样子。然而这份未知和神秘也正是科技的独特魅力。

恰如量子物理学，看似是和许多人没有太大关系的一门学科，但回顾量子力学的发展历史，它催生了包括晶体管、激光在内的许多创新性技术，极大地改变了我们的生活。

技术的获得主要来自于第一次量子革命，通过对量子系统的被动观测来实现的。在最近的几十年中，已经由被动观测进入到对单个光子主动操作的阶段。在这样基础技术的进步之上，给通讯技术的发展带来了新的机遇，量子通信就是量子物理和信息技术的一门交叉学科。

目前量子通信已经走向了实用化和产业化，但是量子计算则是刚从基础研究开始迈向进入技术集成和集中攻关的研发阶段。根据量子计算实现的难度，中国科学技术大学的陆朝阳教授指出，可以把发展分为三个阶段：第一个阶段是就某些经典问题，能够比经典计算机进行更快速计算的量子机器，也是国际上称为“量子霸权”的阶段；第二个阶段，是发展有实用价值的量子模拟机，这里面的应用场景可以包括组合优化、量子化学、机器学习等；最后一个，也是最难的一个目标，是实现可通用编程的量子计算机阶段。

科技的进步越来越深地影响了人们的生活，于是学者们逐渐从幕后走到了台前，让我们更加了解例如量子通信和量子计算这样的新兴科技。他们的成果不断累加，使得我们不断畅想今后的生活会是怎样。憧憬明天对于任何人来说都是前进的动力，就像维克多雨果曾说过的那样，“没有什么比梦想更能创造未来。”

科学家们是各自领域的“大梦想家”，畅想着未来世界，并为之付诸行动。10月27日，由《麻省理工科技评论》、DeepTech深科技联合主办，梅赛德斯-奔驰特别呈现的“全球科技青年论坛——Meet 35”将在北京嘉里大酒店举行。会上设置了“科技大梦想家”版块，科学家们将在现场讲述他们的科技梦想。届时，来自中国科学技术大学、中科院量子信息和量子科技前沿卓越中心陆朝阳教授将受邀出席。

“中科大上海研究院量子光学实验室内，制冷机‘滴滴’地鸣叫着。零下269摄氏度的低温中，激光打中比头发丝细几千万倍的量子点，产生一对“相似度”达到99.5%的单光子。在1平米的实验台上，它们穿越10多个玻片，进入多路分束器——也就是这台光量子计算原型机的CPU中——进行干涉和纠缠，最终运算出‘玻色采样’的结果，速度比世界上首台晶体管计算机快200多倍。”这是《南方人物周刊》对于世界上首台超越早期经典计算机的光量子计算机的描写。

今年7月份，中国科大潘建伟和陆朝阳领衔的团队就在这个光学实验室内，成功将量子纠缠的比特数提升到了 18 位。他们以 6 光子系统为基础，利用光子的 3 个自由度，推出了 18 位量子比特的量子纠缠系统。该系统的详细信息由潘建伟团队整理并发表在美国物理学会主办的高水平学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。另外，据中国科大官方透露，该成果从投稿经国际同行评议到被正式接收，只用了三个星期的时间。

图丨潘健伟（右）和陆朝阳（左）

这距离他们上次刷新世界纪录只过去了 1 年半： 2016 年年底，他们同时实现了 10 个光子量子比特和 10 个超导量子比特的纠缠。在一年半的时间内就将量子比特数提升了近两倍。

在此次的 18 位量子比特量子纠缠系统中，作为一套完备的量子纠缠系统，其主要要有两个方面的创新：一是提升的量子位数，二是成功设计的高效量子纠缠测量系统。

这就好比是信息系统的加密和解码，提升了的量子位数能将传输的信息量大幅提升，18 位的量子比特能够得到 2^18=262144 种不同的量子叠加态组合；高效的量子纠缠测量系统则能提升获取信息的效率和准确率，此次系统的量子态保真度已达 0.708±0.016。这一切都将有利于大规模的量子信息技术的发展。

量子纠缠中，计算和存储的基本单位就是量子比特，就像我们如今用的电子比特一样，以“0”和“1”不同的状态来编码储存信息。但是量子比特的方式不一样，它采取一种叫做“叠加态”的形式来储存信息，它的状态不再是单纯的“0”或者“1”，而是“0”和“1”不同权重的叠加，就像著名的薛定谔的猫一样，可死可活，可不死也可不活。

可以说，增加了量子比特的位数，那就增强了整个系统的计算能力和存储能力。这也是为什么各国的量子科学家都在竞相追逐量子比特位数的原因。简而言之，潘建伟和陆朝阳团队打造的 18 位量子比特量子纠缠系统既创造了量子比特位数的世界纪录，也开创了采用多粒子多自由度提高量子比特位数的创新思路。

图丨陆朝阳

2000年考入中国科学技术大学，研究生时期保送进入微尺度物质科学国家实验室，师从潘建伟教授，陆朝阳在光量子信息方面的研究工作，表现出了卓越的科研创新能力。24 岁的他作为第一作者在国际上首次实验实现了六光子纠缠“薛定谔猫态”和“簇态”，刷新了光量子纠缠的两项世界记录。该工作随后入选了两院院士评选的年度中国科技十大进展新闻。

同年，陆朝阳在国际上首次用光子实现了量子大数分解算法，成果被美国物理学会以“量子计算的突破”专题报道，并入选了教育部评选的年度中国高等学校十大科技进展。 开展科学研究需要有更广阔的视野，为了发展可扩展的量子信息技术，2008年，陆朝阳获得全额奖学金进入剑桥大学卡文迪许实验室转向固态量子光学的研究。

博士期间，陆朝阳以第一作者在国际上首次观测到单电子自旋的实时量子跃迁和非破坏性测量，为固态量子计算解决了一个基础性难题，成果发表在《自然》上，并被哈佛大学 Lukin 教授高度评价。陆朝阳用了不到三年的时间在剑桥大学完成了博士论文和答辩，同时，还入选了竞争异常激烈的剑桥大学丘吉尔学院的青年研究员（入选比例不到1%）。

2011 年初，陆朝阳在剑桥大学完成了博士答辩后，未做一刻停留，随即回国组建固态量子光学实验室，致力于发展和国家信息安全密切相关的量子信息技术。他在 28 岁被聘为中国科学技术大学教授。在潘建伟院士的宏观部署下，年轻的研究团队潜心于科研工作，向世界劲旅发起挑战，完成了一系列在国际上有重大影响力的突破。

在多光子纠缠和光学量子计算领域，团队于 2012 和 2016 年分别实现八光子纠缠和十光子纠缠，继续在多光子纠缠领域保持领先。

在可扩展固态量子计算方面，陆朝阳等首创脉冲共振荧光技术，克服了十多年来阻碍单光子源品质的瓶颈问题，实现了国际上最高品质的高效率单光子源；首次在类石墨烯单原子层材料中发现非经典单光子发射，连接了量子光学和二维材料这两个重要领域，打开了一条通往新型光量子器件的道路。利用自主发展起来的高性能单光子源，陆朝阳等在国际上率先实现了超越历史上第一台电子管和晶体管计算机的针对波色取样任务的量子计算原型机。在这方面的工作被美国物理学会、英国物理学会、《自然》等广泛报道，并连续两次入选了美国光学学会评选的“年度国际光学重大进展”。

在量子通信方面，陆朝阳等在国际上首次实现了单光子多自由度的量子隐形传态，打破了国际学术界18年以来只能传输基本粒子单一自由度的局限，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。这个工作是历史上中国本土完成的科学成果首次入选英国物理学会评选的国际物理学年度突破榜首。

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发布媒体：好百科 作者：DeepTech深科技