與非網 1 月 15 日訊，據報道，量子在人類科技進步中書寫了濃墨重彩的一筆。谷歌實驗證明了“量子優越性”，演示了量子計算具有超越經典超級計算機的計算能力。
日前，由智識學研社、知識分子、賽先生和墨子沙龍主辦，在北京召開的“2020 年新年科學演講”就將目光聚焦在量子信息革命上，並邀請著名量子物理學家、中國科學技術大學教授潘建偉作了題為“從愛因斯坦的好奇心到量子信息革命”的演講。
第一次量子革命：被動觀測與應用
事實上，人類已經經歷過一次量子革命。那就是從 1900 年普朗克通過普朗克公式描述黑體輻射後提出量子論算起的百餘年來，眾多物理學家通過對量子規律的觀測，成功構建起量子力學的物理大廈。
“正是第一次量子革命直接催生了現代信息技術。”潘建偉表示，基於量子力學原理，核能、半導體晶體管、激光、核磁共振、高溫超導材料等諸多應用問世，很大程度上改變了我們的生活。
潘建偉進一步解釋，有了半導體，才有現代意義上的通用計算機；為了向世界傳遞加速器數據，科學家們才發明了萬維網；量子力學構建起非常精確的原子鐘，才使 GPS 衛星全球定位、導航等成為可能。可以說，量子技術是現代信息技術的硬件基礎。
“一部手機當中，至少凝聚了 8 項諾貝爾獎成果。”潘建偉談到，其中很多與量子力學有關。例如，2000 年，用於屏幕的導電聚合物獲諾貝爾化學獎，用於芯片的集成電路獲諾貝爾物理學獎；2007 年，用於存儲器的巨磁阻效應獲諾貝爾物理學獎；2009 年，用於相機的半導體成像器件獲諾貝爾物理學獎。
第二次量子革命：主動調控和操縱
潘建偉指出，科學家在對量子糾纏這一詭異的互動展開大量實驗研究的過程中，發展出精細的量子調控技術，而結合量子調控和信息技術，人類迎來了以量子信息技術為代表的第二次量子革命，從對量子規律被動的觀測和應用變成了對量子狀態的主動調控和操縱。這一飛躍，正如人類對生物學的認識從孟德爾遺傳定律跨越到 DNA 基因工程。
量子信息技術中的量子通信、量子計算能夠滿足信息技術發展至今對安全性的極高要求，和對計算能力的巨大需求。
“量子通信可以提供原理上無條件安全的通信方式。”潘建偉介紹，它的目標是要在更大的範圍裡實現安全的信息傳輸。它的發展路線是，先通過光纖實現城域量子通信，再通過中繼器建立城際量子通信網絡，最後通過衛星中轉實現網絡達不到的遠距離量子通信。
“量子計算的發展則要分為三個階段。”潘建偉認為，第一階段，就是谷歌實現的量子霸權，即針對一些特殊問題，造出一臺比目前計算機更快的量子計算機，大概需要 50 個量子比特；第二階段，他們希望能夠操縱幾百個量子比特，實現一種專用的量子模擬機，用於高溫超導機制、特殊材料設計等目前計算機無法處理的問題；第三階段就是爭取未來二三十年，造出可編程的通用量子計算機。
“我們已經能夠實現 100 個甚至幾百個原子的糾纏，在一些模擬的問題裡，大概能夠達到全世界計算能力總和的 100 萬倍。”潘建偉透露，2020 年，研究團隊計劃實現對 50 個光子的相關操縱，驗證量子霸權。其技術路線採用玻色取樣，相比谷歌更具優越性，預計計算速度將達到全球最強超級計算機“頂點（Summit）”的 1 億倍。在量子通信方面，他們計劃研製一臺光鍾，精度達到 10-21 秒，大概 10 萬億年誤差不超過 1 秒鐘，這種技術也可以提供一種引力波探測的新途徑。
“經典計算機是決定論的，經典人工智能無論多麼聰明，我們覺得那還是一個機器人。”潘建偉總結道，但是量子力學第一次把觀測者的意識與物質的演化結合起來，量子計算機可能和人類的大腦有一些相通。人工智能是一種軟件技術，量子計算是硬件技術，人工智能和量子計算結合到一起的時候，其實是人類自己創造出了一個非生物體的“小孩”。
“從某種意義上來講，這個‘小孩’可能比我們更聰明，甚至可以超越人類的智慧。”潘建偉說。
潘建偉：中國量子計算將如“雨後春筍”
47 歲的中國科學技術大學教授、中國科學院院士潘建偉，再一次站在聚光燈下。5 月 3 日，他代表團隊在上海宣佈兩件關於量子的喜訊：成功研製世界首臺超越早期經典計算機的量子計算機；成功實現目前世界上最大數目(10 個)超導量子比特糾纏。
相關成果分別發表於國際學術期刊《自然·光子學》和《物理評論快報》，引起海內外廣泛關注。
“我們實現的是量子計算基礎研究領域的第一步，一小步，但也是重要的一步。”面對蜂擁而至的媒體，潘建偉穿著慣常的駝色絨衫平靜地說。
學界公認量子計算基礎研究有“三步走”。第一步是展示超越首臺電子計算機的計算能力，第二步是展示超越商用中央處理器的計算能力，第三步是展示超越超級計算機的計算能力。
潘建偉與陸朝陽課題組製造出的光量子計算原型機，計算速度超越了 71 年前誕生的世界首臺經典算法計算機埃尼阿克(ENIAC)。一位審稿人評價：“你們構建了第一代‘ENIAC’量子機器。”
與此同時，朱曉波、王浩華、陸朝陽和潘建偉等科學家協同工作，成功實現 10 個超導量子比特的高精度操縱，打破了美國方面在 2015 年創造的 9 個超導量子比特操縱的紀錄。
30 年前，潘建偉考入中國科學技術大學近代物理系，與量子結緣。21 年前，潘建偉師從量子力學大師塞林格，當被導師問及夢想，他脫口而出：“我要在中國建一個世界一流的量子物理實驗室。”
如今作為中國量子領域研究的領軍者，潘建偉雄心勃勃。他並不滿足這兩項最新成果，而是瞄準更高的要求。他說，要在 2017 年底實現大約 20 個光量子比特的操縱，同時製備出 20 個超導量子比特樣品。他還說，要到 2020 年做到 45 至 50 個光量子比特的操縱，最終實現量子計算超越經典超級計算機的“量子稱霸”目標。
由於量子計算的巨大潛在價值，歐美各國都在積極整合各方面研究力量和資源開展協同攻關，大型高科技企業如谷歌、微軟、IBM 等早早佈局量子計算研究。中國的科研院校及企業也必須參與這場國際競爭。
出生在浙江省，潘建偉用當地常見的“筍”來比喻中國量子計算領域的發展。他描繪說，筍尖剛長出來時進展較為緩慢，一旦長起來便越來越快。他說中國的量子計算就如“春筍”，“我們的爆發式增長已到了相變點”。
潘建偉有此判斷，一方面是基於中國科學家多年積累。以他的團隊為例，從 1999 年突破 4 光子糾纏操縱到 2016 年首次實現 10 光子糾纏操縱，他們始終“領跑”國際。
另一方面是國內已形成協同創新的良好風氣，比如最新成果是由中國科學技術大學、浙江大學、中國科學院物理研究所等合作完成，並且得到中國科學院—阿里巴巴量子計算實驗室等方面的資助。
“未來將面臨激烈的競爭，我希望結合國家實驗室建設，讓許多研究者面向同一個目標，集中全國力量去攻克量子計算機，突破國外的封鎖。”潘建偉微笑著說，“保守一點說，用 5 至 10 年時間造出幾臺解決材料設計、化學研究、物理研究等需求的專用量子計算機”。
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