攻克难关世界纪录（29岁攻克世界难题）

1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生，由此掀起了世界第三次工业革命——电子信息科技革命，而随着科技的进步与发展，在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显。科学家开始思考第四次工业革命的突破口会是哪里，其中，量子科技被科学家认为将成为第四次工业革命的引擎，引爆第四次工业革命。

量子技术全称为为量子信息技术，是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。

加拿大滑铁卢大学的量子技术专家延内魏因说：“国际上确实存在量子科研竞赛。这个中国团队已克服了好几个重大技术与科学挑战，清楚地表明了他们在量子通信领域处于世界领先地位。”

2016年，英国政府发布的《量子时代的技术机遇》报告显示，中国量子科技的论文发表排在全球第一、专利应用排名第二。在“第二次量子革命”的起步阶段，中国异军突起进入“领跑阵营”。

这个团队指的就是潘建伟团队，中国的量子技术是全世界第一，而这其中要多亏了潘建伟教授。

29岁攻克世界性难题的少年天才

潘建伟1970年出生于农村，从小跟着外婆长大，可是潘建伟的成绩却很好，1987年，17岁的潘建伟考入了中国科学技术大学近代物理系。

在中国科学技术大学求学期间，那时潘建伟很“傲气”，想着不用留学，就在国内出成绩。然而当时国内条件差，做实验，仪器不全；搞理论，仅中国科学院物理所有较完整的国际物理学期刊，更缺少参加国际会议的经费。他意识到，必须迈出国门求学。

1996年，得益于改革开放，潘建伟留学奥地利，第一次见到了导师蔡林格教授。当时，导师问潘建伟以后有什么打算，潘建伟回答：“我想要在中国建一个和您实验室一样世界领先的量子物理实验室。”

1999年，年仅29岁的潘建伟作为第二作者的量子态隐形传输实验取得量子信息实验领域突破性进展，利用“量子纠缠”技术，借助卫星网络、光纤网络等经典信道，传输量子态携带的量子信息。量子态隐形传输是一种全新的通信方式，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，是未来量子通信网络的核心要素。

早在1997年的时候，蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证，而1999年，潘建伟参与的的量子态隐形传输实验更是被被公认为量子信息实验领域的开山之作，

英国物理学会将其评为世界物理学年度十大进展，美国《科学》杂志列为年度全球十大科技进展。

不久，潘建伟的母校中科大时任校长朱清时向他发出回国邀请，可以博士毕业生身份破格任教授。

朱校长的邀请让潘建伟非常感动，并且回国做贡献本是初心。在这位开明校长的爱护下，他一方面继续在欧洲做科研，另一方面，从2001年起筹建中科大量子物理与量子信息实验室。

在潘建伟的领导下，中国的量子技术开始领先世界，全球第一。

量子通信：墨子号成全球首个量子通信卫星

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。在微观世界里，两个纠缠的粒子可以超越空间进行瞬时作用。也就是说，一个纠缠粒子在地球上，另一个纠缠粒子在月球上，只要对地球上的粒子进行测量，发现它的自旋为下，那么远在月球上的另一个纠缠粒子的自旋必然为上。

利用这个特性实现光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

量子通信要求光源发射单光子，因为单光子的量子状态不可复制、不可窃听。由于单光子不可分割、不可复制，不能像传统通信那样进行复制放大，所以百公里几乎已成量子通信的极限。

潘建伟从研究生开始就已经开始转专研量子通信，他有关实现量子隐形传态的研究成果入选美国《科学》杂志“年度十大科技进展”，并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。

从2003年开始，潘建伟团队就已经开始立项研究，2007年，潘建伟团队在量子通信研究方面取得重要突破，成为在国际上首次实现百公里量级安全量子通信的3个团队之一。2008年秋天，潘建伟团队在合肥建立了世界上第一个光量子电话网，实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话。2012年，潘建伟团队在合肥市建成了世界上首个覆盖整个合肥城区的规模化（46个节点）量子通信网络，标志着大容量的城域量子通信网络技术已经成熟。

然而，目前已经建好的通信网络都是通过光纤输运光子，光纤对光子的固有损耗就限制了量子通信的距离只能在百公里级。如果想进一步实现远距离的量子通信，就需要量子卫星了。将光子发射到太空中通过卫星中转，光子只需要穿过10公里厚的大气层，损耗很小，就可能实现全球化的量子通信网络。

也就是说高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上。

所以，中国开始研究量子卫星，2016年，墨子号量子卫星成功发射。中国科学家15日（当地时间）在美国《科学》杂志上报告说，中国“墨子号”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠，这意味着量子通信向实用迈出一大步。

《自然》重大科学事件评价称：“国际同行们正在努力追赶中国，中国现在显然是卫星量子通信的世界领导者。

2017年，中国利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发，并在此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。

此次实验还成功解决了爱因斯坦与玻尔领导的哥本哈根学派60年未决的EPR之争，证实了玻尔的正确性。

这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

正因为此，《科学》杂志几位审稿人称赞该成果是“兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”并断言 “绝对毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”。

从2003年参与项目开始算起，团队用14年的努力做到了世界第一，领先世界。

在军事领域，量子卫星将彻底杜绝间谍窃听及破解的保密通信技术，抗衡外国的网络攻击与防御能力，要知道在未来军事作战就靠的是获取信息的多少，打得是信息战，而量子卫星将彻底杜绝美国获取我方情报。

而量子卫星也可以民用，潘建伟预期，通过10至15年左右的努力，中国有望率先建成一个全球化的量子通信卫星网络，量子通信可望服务千家万户。

量子计算，中国再次领跑世界

量子计算机为什么远胜过超级计算机，因为不论是小巧的智能手机，还是大型的超级计算机，他们的基本工作原理都是一样的，都是按照一定规则处理“0、1”二进制数据。所有文字、图片、视频等信息，在计算机中都可以用“0、1”数据来表示。例如，字母A在计算机里就表示为：01000001，每一位0或者1都被称为一个比特。

在传统计算机中，一个比特在某次计算中要么是0，要么是1，只能表示为一个状态。

而如果借由前面所提到的量子叠加态概念，量子叠加态是指粒子可以存在于叠加态中，能同时拥有两个相反的特性，也就是我们说的波粒二象性。尽管我们在日常生活中常常面对“不是A就是B”的抉择，而但在微观世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的。

用量子来做计算机的比特，则一个“量子比特”可以同时既为1，也为0。以10个比特为例，传统计算机一次只能表示0至1023这1024个数中的某一个数（2的10次方为1024），若这10个比特为量子比特，则每一个比特都可同时表示为0和1，这10个比特可以同时表示1024个数，远远高于传统计算机只能表示一个数的水平。

因此，量子计算机将能够极大地提升运算能力，对于有着超高复杂度的问题将有着不可替代的优势。

量子计算机将会运用于核试爆、高新技术武器模拟、战争设计和模拟、情报获取和分析等军事领域，还有在民生领域，如气候预测、疾病医疗、石油勘测、材料科学与计算纳米技术等等。将推动世界科技的大跃进。所以全世界都想掌握量子计算机。

量子计算研究的第一个阶段性目标是实现“量子计算优越性”(亦译为“量子霸权”)，即研制出量子计算原型机在特定任务的求解方面超越经典的超级计算机。利用超导量子比特实现随机线路取样和利用光子实现玻色取样是目前国际学术界公认的演示量子计算优越性的两大途径。

1、利用光子实现玻色取样

线性光学量子计算是量子计算的方案之一。所谓线性光学量子计算，就是以光子作为载体，经过一个线性系统完成操作，输出计算结果。实现大规模比特的通用量子计算机目前看来还具有很苛刻的门槛，于是，科学家希望能够首先让量子计算在特定任务上表现出比经典计算机更卓越的能力，许多科学家将目光瞄准了玻色取样上。

“玻色取样”是指，在n个全同玻色子经过一个干涉仪后，对n个玻色子的整个输出态空间进行采样的问题。采样过程和分布概率息息相关。

科学家经过研究发现，n光子“玻色取样”的分布概率正比于n维矩阵积和式（Permanent）的模方，从计算复杂度的角度来看，积和式的求解难度是“#P-hard”，当前经典最优算法需要O(n2n)步，随着光子数的增加求解步数呈指数上涨。对于这样一个经典计算#P-complete困难的问题，在中小规模下就可以打败超级计算机。

所以玻色取样就成为了实现量子计算的两大途径之一，对于玻色取样任务来说，验证其是否从正确的分布中采样是至关重要的。目前而言，完全验证还难以做到，因为对于具有量子优势的实验来说，经典模拟的计算量将是指数级增长的，无法对大规模的实验进行验证。

2017年5月3日，世界科技界为之侧目，世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生。这个“世界首台”量子计算机是货真价实的“中国造”，属中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学王浩华教授研究组攻关突破的成果。

这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现超越经典超级计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标，奠定了坚实的基础。

在此基础上，中国科大研究组从而利用自主发展的国际最高效率和最高品质单光子源、最大规模和最高透过率的多通道光学干涉仪，并通过与中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星在超导纳米线高效率单光子探测器方面的合作，成功实现了20光子输入60×60模式(60个输入口，60层的线路深度，包括396个分束器和108个反射镜)干涉线路的玻色取样实验。

实验成功操纵的单光子数增加了5倍，模式数增加了5倍，取样速率提高了6万倍，输出态空间维数提高了百亿倍。其中，由于多光子高模式特性，输出态空间达到了三百七十万亿维数，这等效于48个量子比特展开的希尔伯特空间。因此，实验首次将玻色取样推进到一个全新的区域：无法通过经典计算机直接全面验证该玻色色取样量子计算原型机，朝着演示量子计算优越性的科学目标迈出了关键的一步。

美国物理学会Physics网站对该工作的总结指出：“这意味着量子计算领域的一个里程碑：接近经典计算机不能模拟量子系统的地步”

据潘建伟透露，有希望到2020年实现“量子称霸”，也就是超越目前最快的超级计算机。

2、利用超导量子比特实现随机线路取样

2019年4月，中国科大潘建伟团队实现了国际上最大规模超导量子比特纠缠态12比特“簇态”的制备。

而要实现多个量子比特的纠缠，需要实验的每个环节（量子态的品质、操控和测量）都保持极高的技术水平，并且随着量子比特数目的增加，噪声和串扰等因素带来的错误也随之增加，这对多量子体系的设计、加工和调控带来了巨大的挑战。

潘建伟教授及其同事朱晓波、陆朝阳、彭承志等通过设计和加工了高品质的12比特一维链超导比特芯片，并且采用并行逻辑门操作方式避免比特间的串扰，以及热循环操作去除不需要的二能级系统对于比特性能的影响，首次制备并验证了12个超导比特的真纠缠，保真度达到70%，打破了2017年由中国科大、浙江大学、物理所联合研究组创造的10个超导量子比特纠缠的记录。这也是目前固态量子系统中规模最大的多体纠缠态，可为下一步实现大规模随机线路采样和可扩展单向量子计算奠定基础。

要知道，正因为作出如此卓越的成就，潘建伟教授35岁就斩获了世界大奖——菲涅尔奖，这个奖项每两年颁发一次，主要授予在量子电子学和量子光学领域做出杰出贡献的青年科学家。41岁就成为了院士，而作出如此多卓越的成就，潘建伟教授今年也才49岁，正处于科研的巅峰时期。

让我们一起向潘建伟教授致敬，希望他可以作出更多卓越的成果。

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