·2020年，76個光子的量子估算靶機“九章”在求解高斯玻色采樣的特定問題上，速率是當時最快的精典超級計算機的100萬億倍。近日潘建偉團隊早已實現了255個光子的九章3號估算截擊機，它針對特定問題的求解能力早已比精典的超級計算機快1000萬億倍。
·當前我們正在研發第一顆中高軌量子衛星，計劃2026年前后發射。同時，潘建偉稱計劃在中高軌衛星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的穩定度將達到10的-19次方，相當于時鐘約一千億年的偏差不超過1秒。
中國科大學教授、中科院量子信息與量子科技創新研究院教授、中國科學技術學院常務副院長潘建偉視頻講演。
“在2020年我們實現了76個光子的量子估算靶機‘九章’，‘九章’在求解高斯玻色采樣的特定問題上，速率是當時最快的精典超級計算機的100萬億倍。以后我們的系統進行了不斷的升級，近日我們早已實現了255個光子的九章3號估算靶機，它針對特定問題的求解能力早已比精典的超級計算機快1000萬億倍。”5月10日，在香港舉行的第三屆國際科技創新博覽會（Expo2023）上，中國科大學教授、中科院量子信息與量子科技創新研究院教授、中國科學技術學院常務副院長潘建偉介紹了目前量子科技方面的工作和對此領域的未來展望。
潘建偉牽頭研發了國際上首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，建成了國際上首列量子保密通訊骨干網“京滬干線”，并建立了首個空地一體的廣域量子保密通訊網路雛型。
在會上，潘建偉透漏，“當前我們正在研發第一顆中高軌量子衛星，計劃2026年前后發射。不僅要實現量子秘鑰分發之外，這也為中高軌衛星量子精密檢測提供了新的平臺。”同時，潘建偉稱計劃在中高軌衛星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的精度達到E-19（10的負19次方）水平，相當于時鐘約一千億年的偏差不超過1秒。
以下為澎湃科技（）整理的潘建偉在Expo2023上的講演實錄：
2022年的諾貝爾化學學獎頒給了3位量子科技領域的先驅，以嘉獎她們借助糾纏光子實現了貝爾不方程的遵守（意味著糾纏粒子對確實是不可分離的整體，難以賦于其中每位粒子單獨的局域性質），并為此開創量子信息科學。十分高興的是，在2022年諾貝爾化學學獎的新聞發布會和科學背景介紹中，都對中國科學家的相關工作進行了重點介紹，包括“墨子號”量子衛星實現星地的秘鑰分發、地星量子隱型傳態以及我們近來的設備無關的量子秘鑰分發的工作。
為了易于你們理解量子通訊干線，首先請容許我對量子疊加原理進行簡略介紹。你們都曉得，在我們的日常生活中，一只貓在某一個確定的時刻只能處于活或則死狀態上面的某一個。但是依照量子疊加原理，在量子風波當中一只貓可以同時處在兩種狀態。當把量子疊加原理拓展到多粒子體系，我們就可以得到量子糾纏的概念。諸如在量子世界當中的兩只貓，可以同時處于活和死狀態的相關疊加。這些狀態如同兩個色子一樣，不論它們相距多么遙遠，其中一個擲出的點數和另外一個一定是一樣的。愛因斯坦將量子糾纏的這些現象稱為遙遠地點之間的奇特的互動。
在數學上任何兩基態的系統（富含兩個基態的量子系統）都可以拿來建立一個量子比特，例如我們可以用一個光子水平和豎直兩種極化狀態來編碼一個量子比特的信息。對于兩光子的量子系統就可以處在四個最大的極化糾纏之中，再通過貝爾不方程來檢驗量子熱學被定義的過程，化學學家從中發展出可對量子系統進列寬精度調控的量子技術，進而造成了量子信息科學的誕生。
量子信息科學主要包括兩方面的應用：第一，借助量子通信我們可以提供一種原理上是無條件安全的通信方法。第二，借助量子估算我們可以大幅度提升運算。
量子秘鑰分發是最知名的量子通信合同，可以實現基于單光子的量子秘鑰分發（Key，QKD），因而在兩個用戶之間形成安全的秘鑰，再結合一次一密，就可以實現無條件安全的信息傳輸。同時，也可以實現基于量子糾纏的量子秘鑰分發。
在量子估算當中，人們是借助量子比特來編碼信息，借助量子疊加原理實現超快的并行估算，因而在原理上可以達到指數級的加速。大數分解算法是目前最知名的量子算法，例如要分解一個300位的自然數，借助每秒運算萬億次的精典計算機須要15萬年，而用同樣運算速率的量子計算機則只須要一秒鐘。因而量子計算機可以應用在破解精典密碼、天氣預報、金融剖析和抗生素設計等多個領域。為了實現廣義的量子通信網路量子通訊干線，我們可以借助光纖來建立城域量子通信，借助量子中繼來實現兩個城市之間的城際量子通信，在量子衛星平臺進一步的幫助下，可以實現遠距離的量子通信。
我國科學家經過近20年的努力，成功研發了世界上首顆量子科學衛星“墨子號”并在2016年8月成功發射。到了2017年9月，遠距離光纖量子通信骨干網——“京滬干線”正式開通。結合“墨子號”和“京滬干線”，我們在廣域量子通信網路雛型的技術上早已初步驗證天地一體化的量子網路在原理上可行。而在量子估算方面，實現通用的量子計算機還須要長時間的努力。
為了確保該領域的健康發展，學術界設定了三個發展階段。
第一個階段是要實現量子估算的優越性，量子估算系統對個別特定問題的求解速率早已遠遠超過了精典超級計算機，凸顯出量子估算本身的優越。第二階段是建立專用的量子模擬器，拿來求解一些精典計算機無法勝任的特定復雜問題，例如低溫超導機制等。最后第三階段的目標是希望在量子糾纏的幫助下，實現通用的可編程量子估算。
在2020年我們實現了76個光子的量子估算靶機“九章”。“九章”在求解高斯玻色采樣的特定問題上，速率是當時最快的精典超級計算機的10萬倍。以后我們的系統進行了不斷的升級，近日我們早已實現了255個光子的“九章”3號光量的估算截擊機，它針對特定問題的求解能力早已比精典的超級計算機快1000萬億倍。
為了在未來實現全球化的量子通信，我們須要克服目前衛星量子通信所面臨的困局。一是單顆的低軌衛星沒辦法直接覆蓋全球；二是目前的衛星還只能在低區工作，而相應的解決方案是通過發射多顆低軌衛星來構成一個高效率的衛星網路。也就是說在所謂量子天秤的基礎上，我們可以發射具有更長過境時間的中高軌衛星，借此來分發更多的秘鑰。
而這種方案實現的一個根本前提，就是衛星能在太陽幅射的背景下工作。在2017年的時侯，我們早已實現在日光背景下的遠距離自由空間量子通訊的地面實驗，驗證了量子通信是全天可行的，實現了實用化、低成本和輕量化的微納量子衛星。
國際上首顆微納量子衛星“濟南一號”已經在2022年7月發射，它荷載的重量只有20公斤，與“墨子號”相比已然大幅度增加。當前我們正在研發第一顆中高軌量子衛星，計劃2026年前后發射。不僅要實現量子秘鑰分發之外，這也為中高軌衛星量子精密檢測提供了新的平臺。
我們借助中高軌量子衛星實現萬公里量級的量子糾纏分發，在未來將利用全球化的糾纏分發將多個原子糾纏上去，因而大幅度提升原子鐘的穩定。與此同時，我們計劃在中高軌衛星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的精度達到E-19（10的負19次方）水平，相當于時鐘約一千億年的偏差不超過1秒。
借助高精度的光鐘和高精度的光頻標的傳輸，就可以實現全球化的高精度提高，相比當前微波損壞的確切度可以提升4個數目級，為新一代的秒定義提供了相應的技術支撐。在外太空因為磁場和月球引力的噪音非常微弱，所以在原則上光鐘的穩定度可以達到10的-21次方。
借助超高精度的光鐘和超高精度的光頻傳輸，我們可以在外太空建立一個干涉儀，借助干涉儀舉辦一些數學學基本原理的檢驗，包括暗物質的偵測和引力波的偵測等等。
在量子估算領域，我們希望在未來的5年可以達到對數百個量子比特的相關操縱，打造專用的量子模擬器能幫助我們理解一些復雜化學系統規律，如低溫超導的機理，量子霍爾效應等等。通過10至15年的努力，我們希望還能操縱上百萬個量子比特，并實現量子糾纏，初步建立可編程的通用量子計算機。
更正：本文稍早之前的版本，將“光鐘的精度達到E-19（10的負19次方）水平，相當于時鐘約一千億年的偏差不超過1秒”誤寫成“一年的偏差不超過1秒”，特此更正，并向讀者致以敬意。
