中國的量子躍遷

中國的量子躍遷 | 袁嵐峰

關(guān)注風(fēng)云之聲，提升思維層次
導(dǎo)讀：我希望，我們每一位朋友和我們整個(gè)國家，都能超越自己，實(shí)現(xiàn)量子躍遷。
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本文是作者2022年1月參加字節(jié)跳動(dòng)主辦的年度活動(dòng)“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(xué)技術(shù)大學(xué)。感謝字節(jié)跳動(dòng)邀請我參加年終特別策劃，作為十大年度知識(shí)人物之一來講講今年的“變化”。確實(shí)，2021年對我和對整個(gè)中國科學(xué)界來說都發(fā)生了重要的變化。

最顯著的變化之一，是中國在量子計(jì)算領(lǐng)域也達(dá)到了世界領(lǐng)先。以前中國是在量子通信方面領(lǐng)先，在量子計(jì)算方面落后于美國，然后2020年跟美國達(dá)到了并駕齊驅(qū)，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(gè)實(shí)驗(yàn)室漏水、學(xué)生搶救受獎(jiǎng)勵(lì)的報(bào)道?？梢愿嬖V大家的是，那就是我所在的實(shí)驗(yàn)室！就是合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心，簡稱微尺度。

這個(gè)故事是這樣的。11月21日凌晨兩點(diǎn)，有一位同學(xué)去做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有個(gè)房間在漏水，波及到了自己的實(shí)驗(yàn)室。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有180個(gè)通道的超導(dǎo)納米線探測器，如果沒有得到及時(shí)處置，將造成至少2400萬元的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)延誤“九章三號”實(shí)驗(yàn)一年以上。他立即召集隔壁的四位其他同學(xué)一起引水，并通知物業(yè)關(guān)閉了水閥。事后，微尺度決定獎(jiǎng)勵(lì)這五位同學(xué)12萬元。

其實(shí)這事剛一出來，我就收到了微尺度的通報(bào)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(dāng)我科普一個(gè)比較神奇的科技，都會(huì)有人在評論區(qū)說擔(dān)心泄密，但實(shí)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(fā)到自媒體上去了，然后一下子全國的自媒體都在報(bào)，然后全國的官媒都來報(bào)。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(guān)于對理化大樓06-004實(shí)驗(yàn)室漏水進(jìn)行及時(shí)處置的相關(guān)人員進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)的通報(bào)

在這則新聞中有好幾個(gè)關(guān)鍵詞。許多人注意到了“凌晨兩點(diǎn)”，感嘆科大的學(xué)生這么勤奮。許多人注意到了“獎(jiǎng)勵(lì)12萬元”，稱贊科大的領(lǐng)導(dǎo)很有魄力。不過在技術(shù)上，最重要的關(guān)鍵詞是“九章三號”，因?yàn)樗侵袊谘兄频摹⑹澜缟献钕冗M(jìn)的光量子計(jì)算機(jī)。

2020年12月4日，第一代的“九章”量子計(jì)算機(jī)全世界刷屏，它對“玻色子取樣”這個(gè)問題超越了最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)一百萬億倍，標(biāo)志著中國在量子計(jì)算領(lǐng)域跟美國達(dá)到了并駕齊驅(qū)，領(lǐng)先其他國家。2021年10月26日，“九章”升級成了“九章二號”，光子數(shù)從76增加到113，對經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)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(gè)量級?！熬耪氯枴睍?huì)達(dá)到什么程度呢？非常值得期待。通過這次的報(bào)道，讓全國人民都知道了“九章三號”的存在，這也是個(gè)意外的收獲。

九章二號1

九章二號2

其實(shí)在這之前不久，還有一個(gè)只有專業(yè)人員注意而普通群眾不太清楚的進(jìn)展，就是中國消滅了美國的量子優(yōu)越性。請注意這不是個(gè)情緒性的表述，不是說中美兩國在進(jìn)行你死我活的搏斗，而是說量子計(jì)算機(jī)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)在賽跑，美國本來讓量子計(jì)算機(jī)取得了優(yōu)勢，最近中國科學(xué)家又改進(jìn)了經(jīng)典計(jì)算機(jī)，讓它反超了量子計(jì)算機(jī)。這是一個(gè)良性競爭，是量子和經(jīng)典雙方在互相學(xué)習(xí)、共同進(jìn)步，而不是零和博弈。

讓我們具體解釋一下。所謂量子優(yōu)越性（quantum advantage），就是對某個(gè)問題，量子計(jì)算機(jī)超過最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。例如九章這一系列，就對玻色子取樣這個(gè)問題實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。其實(shí)這個(gè)概念剛提出來的時(shí)候叫做量子霸權(quán)（quantum supremacy），后來許多人覺得這個(gè)詞聽著像霸權(quán)主義，讓人不舒服，所以現(xiàn)在更多地叫做量子優(yōu)越性了。但這只是個(gè)修辭的問題，無論叫量子霸權(quán)還是量子優(yōu)越性，實(shí)質(zhì)意思都是一樣的。
2019年10月23日，谷歌宣布自己的量子計(jì)算機(jī)“懸鈴木”（Sycamore）實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。它處理的問題叫做“隨機(jī)線路取樣”，這是一個(gè)對經(jīng)典計(jì)算機(jī)十分困難、而對量子計(jì)算機(jī)相對容易的任務(wù)。懸鈴木取樣200秒獲得了100萬個(gè)數(shù)據(jù)，而當(dāng)時(shí)最快的超級計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)”（Summit）獲得同樣的數(shù)據(jù)需要一萬年，所以實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。
然而，在那之后立刻有很多團(tuán)隊(duì)來改進(jìn)經(jīng)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(jīng)典計(jì)算機(jī)的時(shí)間縮短到兩天半。當(dāng)然兩天半還是比200秒長，但差距已經(jīng)大為縮小了。這有助于大家理解，這是量子和經(jīng)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(yōu)勢嘛。其他一些機(jī)構(gòu)，如阿里巴巴達(dá)摩院，在這個(gè)目標(biāo)上也取得了成果。

2021年11月，經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了突破。中國科學(xué)院理論物理研究所張潘研究員的團(tuán)隊(duì)對經(jīng)典算法做出了重大改進(jìn)，15個(gè)小時(shí)就完成了懸鈴木的任務(wù)。你也許會(huì)說，15小時(shí)還是比200秒長?。渴堑?，但張潘他們用的只是一個(gè)512塊GPU的計(jì)算集群，這個(gè)計(jì)算能力是很小的，只是用來演示算法。他們預(yù)測，把這個(gè)計(jì)算遷移到我國最新的超級計(jì)算機(jī)即新神威上，就可望在幾十秒內(nèi)完成，短于200秒。這就正面擊敗了懸鈴木。因此，理論物理所報(bào)道這項(xiàng)工作的標(biāo)題就叫做《谷歌量子霸權(quán)的瓦解》。

從量子計(jì)算的角度，來看一下當(dāng)前的大圖景。中國在至少一種物理體系上實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，即九章系列用的光學(xué)體系，這也是人類目前唯一可靠的量子優(yōu)越性。美國原本在懸鈴木的超導(dǎo)體系上實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，但現(xiàn)在被經(jīng)典計(jì)算機(jī)反超了。所以美國實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的體系數(shù)從1變成了0，又跟其他國家一樣了。

在美國原本具有優(yōu)勢的超導(dǎo)體系上，中國也在大踏步地前進(jìn)。2021年10月26日，潘建偉團(tuán)隊(duì)在宣布九章二號的同時(shí)，還宣布了另一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，叫做“祖沖之二號”。它是今年5月6日發(fā)表的“祖沖之號” 的升級。祖沖之二號跟懸鈴木一樣也是超導(dǎo)體系，執(zhí)行的任務(wù)也是隨機(jī)線路取樣，但復(fù)雜度比懸鈴木高得多。這就引出了一個(gè)有趣的問題：張潘等人的經(jīng)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?yàn)樗麄冞€沒來得及研究祖沖之二號。所以你看，中國內(nèi)部也在進(jìn)行量子與經(jīng)典的競爭。

總結(jié)一下，中國有量子優(yōu)越性的物理體系數(shù)可能是1，即光學(xué)，也可能是2，即光學(xué)加超導(dǎo)。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(lǐng)先。

當(dāng)前最有趣的是，最強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)是中國造的，最強(qiáng)的反超量子計(jì)算機(jī)的經(jīng)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(jì)算領(lǐng)域和經(jīng)典計(jì)算領(lǐng)域都在引領(lǐng)世界。

量子信息這門學(xué)科，包括量子計(jì)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(gè)最近的例子，是11月29日人民日報(bào)微信公眾號發(fā)了篇文章《中科大發(fā)布新成果！》，點(diǎn)贊上萬?？梢钥闯鋈嗣袢請?bào)的編輯和絕大多數(shù)讀者一樣，都是“我看不懂，但我大受震撼”，于是起了這么一個(gè)既自豪、又懵懂、又放棄治療的標(biāo)題，僅僅說“中科大發(fā)布新成果”，結(jié)尾嘆號，完全沒說這是個(gè)什么成果。

實(shí)際上，這是我的同事和朋友彭新華教授團(tuán)隊(duì)的成果，她幾個(gè)月以前就跟我說了這件事。最近論文正式發(fā)表了，于是開始通報(bào)媒體宣傳了。我給大家簡單地解讀一下，這是一個(gè)探測暗物質(zhì)的工作。

請大家看這兩張圖。前一張是以前的大型天文學(xué)觀測給出的暗物質(zhì)界線，就是說暗物質(zhì)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(zhì)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(gè)數(shù)量級。所以我們看到，暗物質(zhì)粒子在里面沒多少地方可游了，愁眉苦臉。好比在一個(gè)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(huì)問，這個(gè)成果能不能得諾貝爾獎(jiǎng)？回答是：還不能，因?yàn)樗皇强s小了暗物質(zhì)可能出現(xiàn)的范圍，還沒有找到暗物質(zhì)。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(zhì)，那當(dāng)然就遠(yuǎn)不止是諾貝爾獎(jiǎng)了，而是引發(fā)科學(xué)革命。

在量子通信領(lǐng)域，中國有非常明確的優(yōu)勢，大約領(lǐng)先歐洲3至5年，領(lǐng)先美國5至8年。
2021年1月7日，潘建偉等人發(fā)表論文，宣布建成了天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)，即天上的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星加地上的“京滬干線”量子通信骨干網(wǎng)。墨子號是2016年發(fā)射的，京滬干線是2017年開通的，這篇論文是對它們幾年來運(yùn)行情況的總結(jié)?；窘Y(jié)論是，廣域量子保密通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)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(wǎng)絡(luò)奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

經(jīng)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(gè)天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)的作用還不止于此，它是全人類一個(gè)重要的科學(xué)研究平臺(tái)。

例如2019年9月20日，潘建偉等人在《Science》發(fā)表文章，用超大尺度量子干涉的實(shí)驗(yàn)探索了量子力學(xué)與廣義相對論的融合。什么叫量子力學(xué)與廣義相對論的融合？量子力學(xué)與廣義相對論是當(dāng)前物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論，但你仔細(xì)想想就會(huì)發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)理論居然有兩個(gè)，正說明它們都還不夠基礎(chǔ)。真正基礎(chǔ)的理論，應(yīng)該只有一個(gè)才對。所以物理學(xué)家在努力把兩者統(tǒng)一起來，這是整個(gè)科學(xué)界最重要的前沿之一。

具體而言，近年來，有澳大利亞學(xué)者提出了一個(gè)理論模型，叫做“事件形式”。他們預(yù)言，處于量子糾纏的光子對在地球引力場中傳播時(shí)，關(guān)聯(lián)程度會(huì)損失。所以我們可以通過觀測這個(gè)效應(yīng)，來檢驗(yàn)這個(gè)理論。

這樣的實(shí)驗(yàn)原本沒法做，但現(xiàn)在有了墨子號就可以做了，因?yàn)槟犹柨梢韵虻孛嫦嗑嗌锨Ч锏膬蓚€(gè)地方發(fā)出糾纏光子對。實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的結(jié)果，是沒有觀測到關(guān)聯(lián)有損失，所以否定了澳大利亞學(xué)者的理論。不過這個(gè)理論并沒有死透，如果想拯救它，就要對它進(jìn)行修正。中國未來發(fā)射的高軌道量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，會(huì)對修正后的理論進(jìn)行檢驗(yàn)。

比具體結(jié)論更重要的是，人類終于有了這樣的實(shí)驗(yàn)條件，能夠研究這樣基礎(chǔ)的問題。所以中國的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)不止是中國的財(cái)富，而且是全人類的財(cái)富。這才符合毛主席的期望：中國應(yīng)當(dāng)對于人類有較大的貢獻(xiàn)。

講完了中國量子信息科學(xué)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(biāo)題叫做《量子信息簡話》。我講過很多領(lǐng)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(lǐng)域之一。