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      2. 加快打造原始創新策源地,加快突破關鍵核心技術,努力搶占科技制高點,為把我國建設成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

        ——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

        面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

        ——中國科學院辦院方針

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        量子,匪夷所思但不“高冷”

        2024-01-04 光明日報
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        量子計算原型機“九章三號”實驗裝置示意圖(部分)。圖片由中國科學技術大學提供

        “墨子號”量子科學實驗衛星與阿里量子隱形傳態實驗平臺建立天地鏈路(合成照片)。新華社發

        距離量子物理學誕生已經過去120多年。誕生之后,隨之而來的第一次量子革命,催生出晶體管、激光、核磁共振、LED等一大批技術,這些技術的發展從根本上改變了人們的生活方式。

        如今,第二次量子革命的序幕已經悄悄拉開,很多大型企業也積極投入到量子領域。作為前瞻性領域,量子究竟是什么?又將帶領技術走向何處?

        量子力學:

        微觀世界的“分身術”

        量子是組成物質和能量的離散的基本單位,是一個和經典物理有很大區別的概念。想象一下,如果能進入一個比頭發絲還要小1000萬倍的微型世界,我們會驚奇地發現,物質與能量會從一個個連續的量變成一個個離散的量。舉個例子,就像走上樓梯臺階,走上臺階的人只能站上第1個、第2個、第3個整數臺階,但是不能站在第1.6個或2.4個臺階上,因為不穩定。這種離散的物理學概念就是量子。

        生活中,人們看到的太陽光、燈光等都是由一個個光子組成的,光子的能量極小,一個40瓦的燈泡通電后,一秒鐘就可以釋放出1萬億億個光子。而組成物質的基本單位——原子,其特征尺度比納米還要小10倍。目前,量子領域的多種技術能夠精確探測到如此小的物體和能量。

        微觀尺度下的粒子遵循著什么樣的運動方式?它和我們熟悉的牛頓力學有什么不同?讓我們展開想象,用一個保齡球游戲來說明。

        試想一下,假設保齡球道中間以“前三后一”的方式被放上幾塊擋板,保齡球只能從前面三塊擋板中間的兩道縫隙穿過去。很明顯,只有成功通過縫隙的保齡球才能在后面的擋板上留下撞擊痕跡,這些撞擊痕跡對應著擋板形成的兩條縫隙,組成兩條條紋。

        現在,讓我們把保齡球放在微觀領域——縮小到只有原子大小。在如此小的尺度下,保齡球游戲會產生什么不同的現象?在重復了幾百次、幾千次之后,狀況完全不一樣了:此時,擋板上的撞擊痕跡不再是兩條條紋,而是多條紋干涉現象。而后方擋板最中間,也就是被前方擋板擋住的部分,居然是“微觀保齡球”撞擊概率最高的地方。這其實是以“游戲”的方式描述了物理歷史上最經典的實驗之一:單電子雙縫干射實驗。

        上面的游戲展示了一個很奇怪的原理:在微觀領域,物體可以同時處于多種狀態。這就是量子力學的“相干疊加”原理。打個比方,這有點像《西游記》中孫悟空的“分身術”,“微觀保齡球”可以被看為變成了兩個“分身”,從兩道縫隙間同時穿過。這在宏觀世界中是匪夷所思的。

        量子現象:

        讓很多物理學家驚詫

        量子相干疊加原理給量子計算在處理特定問題上提供了更強的計算能力。計算的基本單元叫作一個比特,也就是0或1,宏觀世界中它們非此即彼。如果科學家把量子保齡球游戲中的兩道狹縫的位置分別編碼為0和1,此時的0和1可以同時存在。那么,如果有兩個量子比特的話,就有00、01、10、11這4種狀態同時存在。如果有50個的話,就是2的50次方個狀態同時存在。以此類推,一個寄存器里會同時存在2的n次方種狀態。這些指數多的數據,通過量子并行處理和巧妙的算法設計,在特定問題上就可以實現量子加速。

        在游戲中,有人可能想要觀測這些量子保齡球到底是從哪條縫隙過去的。這個時候一個更奇怪的現象就出現了,如果沒有觀測的話,多條紋狀的量子現象才會出現。一旦有了觀測,量子現象則會消失。也就是說,是否觀測量子系統會反過來影響物理系統本身的狀態。

        這種量子現象也讓很多物理學家感到驚詫,例如薛定諤。為此他提出了“薛定諤的貓”假想實驗:如果微觀世界相干疊加的限制可以轉移到宏觀物體,比如盒子中的一只貓,那么一只貓可以處于又死又活的狀態。直到打開盒子進行觀測,盒里的貓會隨機坍縮到死或活的狀態。

        愛因斯坦認為,量子坍縮的隨機性是由于人類對物理世界的認識不夠完整,未能發現隱藏的變量而導致的。1935年,他和另外幾位科學家提出了量子糾纏的概念,這也是經典物理學世界中沒有的奇怪現象。量子世界中,兩只“薛定諤貓”如果處于糾纏態,無論它們被分離得有多遠,甚至一只在地球上,一只在月球上,它們的狀態都是關聯的。華人女科學家吳健雄第一次在實驗上做出了量子糾纏。

        這種量子隨機性也為科學家們提供了量子加密的可能性。在單光子傳輸過程中,如果有人竊聽,那么竊聽行為會不可避免地使通信載體產生變化,這種變化必然會被察覺??茖W家們希望利用物理學中一些可觀測的效應,來解決傳統信息技術中的一些問題。

        第二次量子革命催生出量子通信、量子計算和量子精密測量等多項成果。在遠距離量子通信方面,我國目前領先于歐洲和美國5年以上,特別是我國在2016年8月16日成功發射世界首顆量子科學實驗衛星——墨子號,并實現了千公里量級的量子通信。2022年諾貝爾獎頒獎委員會在介紹獲獎者的工作時,也提到了由中國科學家主導完成的洲際量子通信實驗。

        量子計算機:

        展示了新的可能性

        量子計算是后摩爾時代的一種新的計算范式,有望解決經典計算機無法完成的高復雜度計算難題。然而,從費曼提出量子計算概念以來,整個領域40多年面臨的一個難題是:真正在技術上造出量子計算原型機,對特定問題的求解實現超級計算機無法比擬的算力。這個歷史性里程碑目標被稱為“量子計算優越性”,成為了國際激烈角逐的焦點。

        量子計算機的國際競爭極其激烈,谷歌團隊從2014年開始,砸下10億美元,從加州大學挖走整個團隊,在此基礎上組建了200人的大團隊。2019年年底,谷歌宣布成功設計、構建了名為“懸鈴木”的53量子比特處理器。

        面對這一強敵,筆者與同事組建了主要由“90后”和“95后”構成的團隊,利用不到谷歌1%的經費,完成了從理論創新到關鍵技術的攻關,突破了高性能量子光源、超低損耗量子線路和量子探測等核心技術。2020年,中國科學技術大學研究團隊設計和構建的76個光子量子計算原型機“九章”誕生。研究顯示,“九章”等效地比“懸鈴木”快100億倍。

        隨后,從激光概念得到啟發,研究團隊嘗試通過受激輻射把量子光放大。2021年,113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”誕生?!熬耪露枴鼻蠼飧咚共I訑祵W問題比目前全球最快的超級計算機快億億億倍。2023年10月,255個光子的量子計算原型機“九章三號”,再度刷新了光量子信息的技術水平和“量子計算優越性”的世界紀錄。

        同時,中國科學技術大學研究團隊利用了一個與谷歌團隊相同的路線,組建了一個56個比特和60個比特的“祖沖之”號超導量子計算原型機,使我國成為了唯一在兩種主流的物理體系上都實現了量子計算優越性的國家。

        國際學術界對谷歌“懸鈴木”和我國“九章”量子計算原型機都給予了高度評價:雖然這些最原始的量子計算原型機還不能直接產生實際的應用,但是它就像萊特兄弟的飛行機首飛一樣,第一次展示了一種新的可能性。

        下一步,研究人員想要實現有實際應用價值的專用量子模擬機研究,最終通過15至20年的努力,成功構建超過十萬、百萬甚至千萬比特通用的量子計算機,科學家需要運用量子糾錯的方法,把錯誤率下降到百億分之一左右,才能做2048位的大數分解,這是科學家需要攀登的另一座高峰。

        量子信息、量子計算起源于物理學、數學、信息、計算機等學科的交叉。比如量子密碼的產生就是物理學家和計算機學家碰撞出的結果。這門科學需要更廣泛的多學科學者幫助和積極參與,助力學科發展。

        目前,中國科學技術大學的“95后”甚至“00后”的研究生們正在攻關下一代3000個光子量子計算原型機“九章四號”。從他們身上,我們看到了中國量子科學未來的希望。

        (作者:陸朝陽,系中國科學技術大學講席教授,光明日報記者李春劍整理)

        打印 責任編輯:梁春雨

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