潘建伟:量子计算正在从“玩具”向“工具”转变
科技日报记者 毕文婷
30多年前，在科学家对量子力学的基本问题如量子叠加、纠缠等进行研究的过程中，精细量子控制技术逐渐发展起来，使人类从被动观察量子规律跃进到主动精确操纵量子态，从而诞生了我们现在所说的“量子技术”。
量子科学与技术是量子调控和信息技术相结合的一门新学科。在这一领域，中国在关键核心技术上取得了一系列重大科学问题和突破，在某些方向上取得了国际领先。《我国量子科技将如何深化发展，自主创新科技体系将如何构建，从基础研究到实用化、工程化的转化之路将如何实现引领性突破？科技日报》记者采访了中国科学院院士、中国科技大学教授潘建伟，请他谈谈量子科学技术的发展。
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不会取代现有通信方式，量子通信将大幅提升信息安全水平
墨子量子科学实验卫星在科技日报记者：,发射后，中国科学家利用它获得了一系列研究成果，并成功地将量子通信发展到实用阶段。这是否意味着一种颠覆性的传统沟通方式即将诞生？
虽然量子通信在潘建伟：,是一个新领域，但它并不打算取代现有的通信方法。相反，它将以一种新的方式大大提高现有信息系统的安全性。
关键是现代信息安全系统的核心要素。只要密钥是安全的，加密的信息就可以是安全的。在传统的安全通信中，没有严格的方法来证明其安全性。
然而，在现有的开放信道中，量子安全通信可以通过量子密钥分发实时生成密钥，并安全方便地将其分发给用户，这使得在量子密钥的传输过程中，如果信息被窃听，窃听者无法做到不留下痕迹。和这一点得到了量子力学基本原理的绝对保证。
换句话说，量子安全通信使用量子密钥来提高传统通信的安全性，而不是完全颠覆传统的通信方法。
目前，中国通过墨子和京沪干线的实验，已经建成了第一个天地一体的量子通信网络原型，中国的量子通信已经达到国际领先水平。那么，为了持续保持领先地位，中国应该重点关注哪些方面呢？
科技日报记者：量子通信的发展目标是建立全球广域量子通信网络系统。先通过光纤实现城域量子通信网，再通过直放站实现相邻两个城市之间的连接，最后通过卫星平台转移实现远距离区域之间的连接，这是广域量子通信网的发展路线。
按照这条路线，潘建伟：包括实现量子通信网络与经典通信网络的无缝连接，实现可支持数千公里的量子中继，开发下一代可全天工作的量子卫星网络；量子通信未来的发展，一方面需要扩大量子通信网络的有效覆盖范围，
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另一方面，需要在工程化集成与验证的实践中推动核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和规模化的应用示范。
除了量子通信，有3个里程碑发展阶段，通用量子计算机诞生或还需20年的量子计算也受到了极大的关注。国内外企业都声称已经进入量子计算领域，但也有观点认为量子计算还很遥远。对此你怎么看？
科技日报记者：对量子计算的研究是一项高度复杂的工作，对于学术界来说，仍然需要逐步实现阶段性目标。潘建伟：
国际学术界公认的量子计算发展有几个里程碑阶段——的意思是，量子计算机在解决特定问题的计算能力上超过了超级计算机，这需要对大约50个量子比特进行一致的操作。2019年，Google实现的量子计算原型“悬铃木”包含53个超导量子位，在解决随机线采样问题上超越了超级计算机，即成功实现了量子计算的优越性。然而，解决随机线抽样目前似乎没有实际意义，第一个里程碑是实现量子计算优越性，
现在的量子计算原型机更像是一个“玩具”，只能在玩某一个游戏方面击败经典计算机，它的重要意义在于，证明了量子计算机是可以超越经典计算机的。是数百个量子比特的相干操纵，用来解决一些超级计算机做不到的实际问题，比如量子化学、新材料设计、优化算法等等。这时，量子计算机才真正开始有用，成为一种“工具”。第二个里程碑是实现专用量子模拟机，
我们希望能够在5—10年内实现这样的量子模拟机，这是当前的主要研究任务。至少可以相干操纵数百万个量子位，同时将量子位的操纵精度提高到容错阈值(99.9%)以上，在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面可以发挥巨大作用。在这个阶段，量子计算机可能类似于我们目前概念中的计算机，可以用来快速解决许多问题。然而，由于巨大的技术挑战，第三个里程碑是实现可编程的通用量子计算机，
何时实现通用量子计算机尚不明确，学术界一般认为还需要20年甚至更长的时间。不久前，你的团队建造了“九章”，一个76光子的量子计算原型。据媒体报道，它可以在一分钟内完成超级计算机一亿年才能完成的任务。在你看来，中国的量子计算处于什么阶段？
根据科技日报记者：,现有的最优经典算法，“九章”处理高斯玻色采样问题的速度比最快的超级计算机“富越”快100万亿倍，这表明中国已经成功达到量子计算优势的里程碑，“九章”的等效速度比谷歌的“悬铃木”快100亿倍左右。
除了“九章”所代表的光学量子系统外，超冷原子和超导线也被公认为最有可能率先实现量子比特大规模相干操控的物理系统。在潘建伟：,的超冷原子系统中，中国在大规模原子纠缠的制备和操纵、自旋轨道耦合的量子模拟和超冷分子反应等方面取得了一系列重要成果，为超冷原子系统专用量子模拟器的实现奠定了基础。
离子和硅基量子点等物理系统也具有多位扩展和容错的潜力，也是国际量子计算研究的热点。就这些系统中量子计算的基本要素而言，我国积累了大量的关键技术，与国际主要研究力量并行。
此外，由于拓扑量子计算在容错方面的优势，利用拓扑系统实现通用量子计算机是一个重要的长期研究目标。目前，国内外都在努力实现单个拓扑量子位，这将是从0到1的突破。
光量子干涉的物理图。照片由受访者提供
在超导量子计算方面，我国近期也有望实现超越谷歌的“量子计算优越性”。
除了以上两个领域，在调控技术迅速发展，精密测量已经进入量子时代,量子精密测量也是量子技术的一个非常重要的细分领域，这可能是公众不熟悉的。能否介绍一下量子技术对精密测量的意义？
科技日报记者：量子态对环境高度敏感，实际上是一个非常敏感的传感器。同时，物理量的量化也提供了一个非常准确的基准。比如光子是光能的最小单位，在某一频率下一个光子的能量是一个固定值。如果能对光子进行逐个“计数”，那么基本物理量中的发光强度就可以用光子数来定义，精确度和稳定性都会有很大的提高。这里的“计数”光子其实指的是量子控制的能力。
鉴于量子控制和量子信息技术的快速发展，2018年第26届国际计量大会通过了关于量化法定义国际单位制的重大决议。其实很多物理量，比如时间、位置、加速度、电磁场等等。可以用超越经典技术极限的量子技术来测量。
潘建伟：量子精密测量包括哪些应用领域？
科技日报记者：量子精密测量的主要应用包括高精度光频标准和时频传输、量子陀螺仪、原子重力仪等量子导航技术，以及量子雷达、痕量原子追踪、弱磁场探测等量子敏感探测技术。这些技术将在惯性导航、下一代时间参考、隐身目标识别、全球地形测绘、医学检验等领域发挥重要作用。
与发达国家相比，我国在量子精密测量领域仍有一定差距，但这一差距近年来正在迅速缩小，在某些方向已经相当于国际公开报道的最高水平。