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(2024-01-19 12:49:08)
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从《西游记》到量子世界
来源：解放日报 作者：潘建伟/徐蓓 日期：2024-01-19
2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，这是光量子干涉实物图。
未来，我们希望通过10到15年的努力，构建完整的天地一体广域量子通信网络技术体系，推动量子通信技术在国防、政务、金融和能源等领域率先加以广泛应用，实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接。——潘建伟
不久前，中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟教授在中国科学技术大学附属中学举行的“墨子沙龙”活动中，面对中学生们进行了一场演讲。以科普为目的的“墨子沙龙”，正是潘建伟院士发起创办的。他从家喻户晓的《西游记》谈起，全面介绍了量子信息科技的发展历程，并展望了中国量子科学的未来。
潘建伟
从《西游记》到物理实现
大家一定非常熟悉吴承恩的《西游记》。我记得在我大约10岁、还未上初中的一个夏天，我父亲给我买了这套书。整个夏天，我都沉浸在《西游记》中。
书里有许多有趣的概念，其中一个是关于天和地的区别。书中告诉我们，天上是神仙的居所，而大地是我们凡人的家园。更有趣的是，天上过去一天，地上就经历一年，呈现了“天上一日，地上一年”的时间差的概念。
我对千里眼和顺风耳也格外感兴趣。孙悟空从石头中孕育而出，引起了轰动，玉皇大帝便命千里眼和顺风耳前去查看下界发生了什么。这两位神仙拥有非凡的能力，可以看到千里之外发生的事情，听到千里之外发出的声音。
神话小说向我们展示了吴承恩描述的奇妙世界。那么，神话小说中的这些元素究竟能否在现实科学中实现呢？
大家应该已经学习了电流、电阻等电学知识，如果你们以后上大学选择物理专业，将会学到电动力学。19世纪，英国物理学家麦克斯韦建立了电动力学。基于电动力学，他预言了电磁波的存在，后来这被德国物理学家赫兹在实验上证实。基于这些科学成就，产生了很多之前难以想象的应用。例如，1876年贝尔发明了电话，1925年贝尔德发明了电视。这些发现使人们有了“千里眼”“顺风耳”。
相对论是爱因斯坦在1905年提出的，那时他只有26岁。爱因斯坦的相对论中有一个奇特的预测——双生子佯谬。它说的是，有一对双胞胎A和B，其中A乘坐飞船、进行高速旅行，而B则留在地球上。等到高速运动的A返回地球时，他会比留在地球上的B年轻很多。相对论告诉我们，“天上一日，地上一年”在物理学中是被允许的，而且是真实存在的。
奇妙的量子世界
那么，孙悟空的分身术、筋斗云能不能也在科学上得到实现呢？答案是肯定的，量子力学让我们能够在物理上实现分身术和筋斗云。
量子不是某种粒子，而是构成物质最基本单元的全称。例如，光子、原子、分子都可以被认为是量子。不可分割是它的基本属性。光子是光能量的基本单元，不存在半个光子；水分子是水化学性质的基本单元，不存在半个水分子。
量子世界还有一个奇特的性质，叫作量子叠加。日常经验告诉我们，在某一个时刻我们只能处于某一个确定的地方。然而，当我们进入量子世界，在某些特定条件下，光子、原子等微观粒子可以同时存在于多个地方，呈现叠加状态。
量子力学的创始人之一、奥地利科学家薛定谔曾经做过一个比喻：在日常生活中，一只猫只能处于活或死这两个状态中的一个，但在量子世界中，它可能处于又死又活的叠加状态。在经典世界，利用猫死或活这两种状态，我们可以加载一个比特（“0”或“1”）的信息；而在量子世界，相应的，我们有了量子比特“|0>+|1>”。
在物理上实现它也是比较简单的。例如，我们利用光子，光子在真空中传递时，会沿着两个方向振动——水平偏振（|0>）和竖直偏振（|1>）。如果你用半波片将它转一下，它变成沿着45度偏振，这时的状态就是|0>+|1>了。
再打个比方。从法兰克福飞到北京有两条路径，一条途经莫斯科，那里天寒地冻、特别冷；另一条途经新加坡，那里阳光明媚、很温和。如果飞行途中你一直观察路线，到达北京时你要么觉得冷，要么觉得热，因为你可以确定是沿哪一条路线飞行的。而如果你在飞行途中睡着了，你不知道是沿哪条路线飞行的，到达北京时就会觉得又冷又热。这就是量子叠加。
你可能会质问我：这不是在胡言乱语吗？我在飞机上睡着，醒来时从来没有那种又冷又热的感觉。且慢，让我解释一下。为什么实际生活中我们不会有那种又冷又热的感觉呢？因为飞行员一直在掌控着飞机，地面雷达一直在监视着飞机的行程，所以它不会出现那种叠加。也就是说，量子客体的状态会被测量所影响。
量子力学还意味着更加积极的哲学。经典力学告诉我们，一旦确定了初始状态，所有粒子未来的运动状态都是可以被精确预言的。那么，一切事件都是在宇宙大爆炸时就已经确定好的吗？如果那样，个人的努力还有意义吗？量子力学告诉我们，人的行为（比如测量）可以影响世界的进程。
量子革命与新兴技术
20世纪初，德国物理学家普朗克提出量子论，爱因斯坦提出光量子的概念。在随后的几十年里，这些科学上的进展给人类带来了核能、激光、新材料以及信息时代，我们的生活已经离不开这些成果。这是“第一次量子革命”。
然而，随着信息科技的不断发展，我们也面临了一些亟待解决的重大问题。在信息传输方面，网络信息安全面临着严重威胁。信息传输中，信息虽然是被加密的，但依赖于计算复杂度的经典加密算法，原理上都会被破解。在信息处理方面，目前人类拥有的计算能力还相当有限。我们处于大数据时代，全球数据量呈指数增长（每两年翻一番），而目前全世界的计算能力总和无法在一年内完成对大约2的90次方个数据的穷举搜索。传统发展模式受到严重制约，摩尔定律逐渐逼近极限。
我们如何突破这些困扰？量子力学在百余年的发展过程中，已经为解决这些重大问题做好了准备。
前面我们讲了量子叠加，可以使一只猫处于又生又死的叠加状态。当有了两只猫呢？更新奇的事情发生了。例如，它们可以处于“生—生”和“死—死”的叠加状态。也就是说，当我们观察时，第一只猫有一半的概率是生，一半的概率是死；观察第二只猫，情况同样如此。但它们俩的生死状态一直是一致的，要么都是生，要么都是死。这就是量子纠缠。
有了量子叠加和量子纠缠的概念，我们可以利用它们做很多事情。同时，为了理解它们，科学家做了大量的努力，伴随而来的是新技术的出现。其中，对量子状态的精确操纵技术得到系统性发展。之前，我们对物质世界进行被动观测，利用自然界的性质来造福人类；现在，我们可以对光子、原子等的量子状态进行主动操纵，按照我们的意图来进行设计。这催生出一个具有巨大应用前景的新兴研究领域，叫“量子信息科学”。量子调控与量子信息也被称作“第二次量子革命”。与“第一次量子革命”所催生的成果相比，这又是一次巨大的进步。
量子信息科学可以解决信息传输和信息处理方面的问题。事实上，量子通信、量子计算与模拟正是量子信息科学的重要方向。
量子密钥分发是量子通信的重要方式。通信中如果存在窃听，通信的双方便会察觉。这种性质基于量子力学的基本原理：任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰，且量子态不可复制。加上“一次一密”的加密方式，就能保证加密内容不可破译。这是迄今唯一可实现“信息论可证”安全的通信方式。
还有更有趣的事情：利用量子纠缠可以将量子信息传送到另一地点，而不用传送信息载体本身。这就是量子隐形传态，也就是量子世界的“筋斗云”。多体、多终端、多自由度的量子隐形传态还是构建量子计算机的基本单元。
由于量子叠加和量子纠缠，量子计算的能力随可操纵的量子比特数呈指数增长。指数增长的威力，可以从以下故事中看出。有一位国王非常喜欢国际象棋，于是要奖赏国际象棋的发明者。发明者说，我的要求很简单，请您第一天赏我1粒米，放在棋盘的第一个方格里，第二天赏我2粒米，放在第二个方格里，依此类推，后一天的数量是前一天的2倍，直到放满棋盘。国王很高兴，以为一袋米肯定就足够了。结果让人一算，大为吃惊，所需米粒约为1万亿吨。有人计算过，这相当于全世界约2000年大米产量的总和。
因此，有了量子计算机，可以提供超快的计算能力，揭示复杂系统的规律，完成很多之前难以完成的任务。它将在金融分析、气象预报、药物设计、大数据、人工智能等领域有重要的应用前景。
我的量子研究之路
接下来，我和大家分享一下我自己学习量子物理的故事。
1989年，在中国科学技术大学，我第一次接触到量子力学。之前的学习中，牛顿的万有引力、法拉第的电磁感应、焦耳的能量守恒，还有孟德尔的遗传实验，我都觉得非常美妙，但量子力学让我十分困惑。一只猫怎么可以同时处于又死又活的状态呢？我一直在思索这个问题。
后来，我将量子力学的基本概念问题作为自己本科论文的主题，我花了一年多时间来厘清量子理论的基本概念——量子佯谬。从1991年到现在已经有30多年了，我一直在从事这个领域的工作。我想，要做成一些事情，一定是需要长时间坚持的。
1996年，我留学奥地利因斯布鲁克大学，导师是当时活跃在科学前沿的量子实验学者Anton Zeilinger。这里我跟大家分享一个小故事。那时，老师交给我几篇文章，让我去算一下，看看有什么结果。我花了几天时间算完之后，感到很激动，因为我有一个很重要的发现——量子态可以从一个地方传到另一个地方，不需要有媒介。我就主动要求做一个报告，那时我们组每星期三早上会请一位同学做报告。我讲完之后，居然没有任何一个人问我问题，我感到很失望：我发现了这么重要的东西，居然没有一个人问我问题。最后，我的同事问我：“你知道量子隐形传态吗？”我说不知道。原来，那时大家正在做这个实验，于是我提出加入实验团队。1997年，我们完成了实验，首次实现量子隐形传态。
可见，对科学研究来说，之前的积累和充分准备是非常重要的。1989年我对这个领域产生了兴趣，1996年加入研究团队，1997年取得重要研究成果。这一成果后来入选《自然》杂志“百年21篇经典论文”。
2001年，我回到中国科学技术大学近代物理系，组建量子物理与量子信息实验室，主要开展多光子纠缠操纵研究。很快我意识到，尽管在光量子信息处理方面我们的工作进展不错，但量子信息处理仅靠光子是远远不够的。所以，我建议很多优秀毕业生参加德国、英国、美国、瑞士等国的优秀团队，去学习各种先进技术。
2009年，我有幸在北京人民大会堂观看庆祝中华人民共和国成立六十周年大型音乐舞蹈史诗《复兴之路》，心情十分激动。当时，我给在国外的学生发了短信：“我正在人民大会堂看《复兴之路》，感触良多！甚望你能努力学习提升自己，早日学成归国为民族复兴、科技强国尽力！”此后几年内，他们陆续回到中国科学技术大学，形成了一支优势互补的科研团队。
中国量子科技的发展
在城域光纤量子通信网络方面，我们不断取得重要进展。
2007年，光纤量子通信的安全距离首次突破100公里；2008年，建设了首个全通型城域量子通信网络；2012年，实现了首个规模化量子通信网络。但是，要实现远距离量子通信，还面临着重大挑战。长度为1200公里的商用光纤中，即使每秒发射百亿个光子、探测器效率达到100%，也需要数百万年时间才能传送一个量子比特。
怎么办？一个阶段性的解决方案是，基于可信的中继器连接来实现城际量子通信网络。基于这一方案，我们建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”。现在，我国广域量子保密通信骨干网总长超过10000公里，覆盖北京、上海、广东、重庆等17个省份约80个城市。
不过，这不是一个完美的解决方案，更有效的解决方案是自由空间量子通信。2003年，我们提出卫星量子通信的构想。经过严格的地面验证与关键技术攻关，量子科学实验卫星“墨子号”于2016年8月成功发射。“墨子号”在轨运行半年后，圆满完成了全部既定的科学目标——千公里级量子密钥分发、千公里级星地双向量子纠缠分发、千公里级地星量子隐形传态，充分验证了通过卫星平台实现远距离量子通信的可行性。
通过光纤实现城域量子通信网络，通过中继器连接实现城际量子网络，通过卫星中转实现远距离量子通信，结合“墨子号”和“京沪干线”，我们构建了国际上首个天地一体的广域量子通信网络雏形，这为将来的规模化应用奠定了坚实的科学与技术基础。
我国在量子计算方面也取得了很大的进展。
2020年，我们构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样问题，比当时最快的超级计算机“富岳”快10万倍，实现了国际上首个被严格证明的“量子计算优越性”。2021年的“九章2号”能力较“九章”提升了10万倍，2023年的“九章3号”能力又较“九章2号”提升了100万倍。
在超导量子计算方面，2021年，我们构建了包含62个比特可编程的超导量子处理器“祖冲之号”。同年，将“祖冲之号”升级到66个量子比特，并实现了随机线路取样问题的快速求解，比最快的超级计算机快10万倍，计算复杂度比谷歌的量子计算原型机“悬铃木”高6个数量级。我国成为目前唯一在两种物理体系都达到“量子计算优越性”里程碑的国家。
未来，我们希望通过10到15年的努力，构建完整的天地一体广域量子通信网络技术体系，推动量子通信技术在国防、政务、金融和能源等领域率先加以广泛应用，实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接。我们也会发射中高轨道量子卫星，实现全球化量子纠缠分发，将多个原子钟的原子纠缠起来，实现高精度广域时频传递网络。我们还将研制具备基本功能的可编程的通用量子计算机，进一步探索对密码分析、大数据分析等的应用。
（本报记者徐蓓整理，内容有删减）
不久前，中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟教授在中国科学技术大学附属中学举行的“墨子沙龙”活动中，面对中学生们进行了一场演讲。以科普为目的的“墨子沙龙”，正是潘建伟院士发起创办的。他从家喻户晓的《西游记》谈起，全面介绍了量子信息科技的发展历程，并展望了中国量子科学的未来。
潘建伟
从《西游记》到物理实现
大家一定非常熟悉吴承恩的《西游记》。我记得在我大约10岁、还未上初中的一个夏天，我父亲给我买了这套书。整个夏天，我都沉浸在《西游记》中。
书里有许多有趣的概念，其中一个是关于天和地的区别。书中告诉我们，天上是神仙的居所，而大地是我们凡人的家园。更有趣的是，天上过去一天，地上就经历一年，呈现了“天上一日，地上一年”的时间差的概念。
我对千里眼和顺风耳也格外感兴趣。孙悟空从石头中孕育而出，引起了轰动，玉皇大帝便命千里眼和顺风耳前去查看下界发生了什么。这两位神仙拥有非凡的能力，可以看到千里之外发生的事情，听到千里之外发出的声音。
神话小说向我们展示了吴承恩描述的奇妙世界。那么，神话小说中的这些元素究竟能否在现实科学中实现呢？
大家应该已经学习了电流、电阻等电学知识，如果你们以后上大学选择物理专业，将会学到电动力学。19世纪，英国物理学家麦克斯韦建立了电动力学。基于电动力学，他预言了电磁波的存在，后来这被德国物理学家赫兹在实验上证实。基于这些科学成就，产生了很多之前难以想象的应用。例如，1876年贝尔发明了电话，1925年贝尔德发明了电视。这些发现使人们有了“千里眼”“顺风耳”。
相对论是爱因斯坦在1905年提出的，那时他只有26岁。爱因斯坦的相对论中有一个奇特的预测——双生子佯谬。它说的是，有一对双胞胎A和B，其中A乘坐飞船、进行高速旅行，而B则留在地球上。等到高速运动的A返回地球时，他会比留在地球上的B年轻很多。相对论告诉我们，“天上一日，地上一年”在物理学中是被允许的，而且是真实存在的。
奇妙的量子世界
那么，孙悟空的分身术、筋斗云能不能也在科学上得到实现呢？答案是肯定的，量子力学让我们能够在物理上实现分身术和筋斗云。
量子不是某种粒子，而是构成物质最基本单元的全称。例如，光子、原子、分子都可以被认为是量子。不可分割是它的基本属性。光子是光能量的基本单元，不存在半个光子；水分子是水化学性质的基本单元，不存在半个水分子。
量子世界还有一个奇特的性质，叫作量子叠加。日常经验告诉我们，在某一个时刻我们只能处于某一个确定的地方。然而，当我们进入量子世界，在某些特定条件下，光子、原子等微观粒子可以同时存在于多个地方，呈现叠加状态。
量子力学的创始人之一、奥地利科学家薛定谔曾经做过一个比喻：在日常生活中，一只猫只能处于活或死这两个状态中的一个，但在量子世界中，它可能处于又死又活的叠加状态。在经典世界，利用猫死或活这两种状态，我们可以加载一个比特（“0”或“1”）的信息；而在量子世界，相应的，我们有了量子比特“|0>+|1>”。
在物理上实现它也是比较简单的。例如，我们利用光子，光子在真空中传递时，会沿着两个方向振动——水平偏振（|0>）和竖直偏振（|1>）。如果你用半波片将它转一下，它变成沿着45度偏振，这时的状态就是|0>+|1>了。
再打个比方。从法兰克福飞到北京有两条路径，一条途经莫斯科，那里天寒地冻、特别冷；另一条途经新加坡，那里阳光明媚、很温和。如果飞行途中你一直观察路线，到达北京时你要么觉得冷，要么觉得热，因为你可以确定是沿哪一条路线飞行的。而如果你在飞行途中睡着了，你不知道是沿哪条路线飞行的，到达北京时就会觉得又冷又热。这就是量子叠加。
你可能会质问我：这不是在胡言乱语吗？我在飞机上睡着，醒来时从来没有那种又冷又热的感觉。且慢，让我解释一下。为什么实际生活中我们不会有那种又冷又热的感觉呢？因为飞行员一直在掌控着飞机，地面雷达一直在监视着飞机的行程，所以它不会出现那种叠加。也就是说，量子客体的状态会被测量所影响。
量子力学还意味着更加积极的哲学。经典力学告诉我们，一旦确定了初始状态，所有粒子未来的运动状态都是可以被精确预言的。那么，一切事件都是在宇宙大爆炸时就已经确定好的吗？如果那样，个人的努力还有意义吗？量子力学告诉我们，人的行为（比如测量）可以影响世界的进程。
量子革命与新兴技术
20世纪初，德国物理学家普朗克提出量子论，爱因斯坦提出光量子的概念。在随后的几十年里，这些科学上的进展给人类带来了核能、激光、新材料以及信息时代，我们的生活已经离不开这些成果。这是“第一次量子革命”。
然而，随着信息科技的不断发展，我们也面临了一些亟待解决的重大问题。在信息传输方面，网络信息安全面临着严重威胁。信息传输中，信息虽然是被加密的，但依赖于计算复杂度的经典加密算法，原理上都会被破解。在信息处理方面，目前人类拥有的计算能力还相当有限。我们处于大数据时代，全球数据量呈指数增长（每两年翻一番），而目前全世界的计算能力总和无法在一年内完成对大约2的90次方个数据的穷举搜索。传统发展模式受到严重制约，摩尔定律逐渐逼近极限。
我们如何突破这些困扰？量子力学在百余年的发展过程中，已经为解决这些重大问题做好了准备。
前面我们讲了量子叠加，可以使一只猫处于又生又死的叠加状态。当有了两只猫呢？更新奇的事情发生了。例如，它们可以处于“生—生”和“死—死”的叠加状态。也就是说，当我们观察时，第一只猫有一半的概率是生，一半的概率是死；观察第二只猫，情况同样如此。但它们俩的生死状态一直是一致的，要么都是生，要么都是死。这就是量子纠缠。
有了量子叠加和量子纠缠的概念，我们可以利用它们做很多事情。同时，为了理解它们，科学家做了大量的努力，伴随而来的是新技术的出现。其中，对量子状态的精确操纵技术得到系统性发展。之前，我们对物质世界进行被动观测，利用自然界的性质来造福人类；现在，我们可以对光子、原子等的量子状态进行主动操纵，按照我们的意图来进行设计。这催生出一个具有巨大应用前景的新兴研究领域，叫“量子信息科学”。量子调控与量子信息也被称作“第二次量子革命”。与“第一次量子革命”所催生的成果相比，这又是一次巨大的进步。
量子信息科学可以解决信息传输和信息处理方面的问题。事实上，量子通信、量子计算与模拟正是量子信息科学的重要方向。
量子密钥分发是量子通信的重要方式。通信中如果存在窃听，通信的双方便会察觉。这种性质基于量子力学的基本原理：任何对量子系统的测量都会对系统产生干扰，且量子态不可复制。加上“一次一密”的加密方式，就能保证加密内容不可破译。这是迄今唯一可实现“信息论可证”安全的通信方式。
还有更有趣的事情：利用量子纠缠可以将量子信息传送到另一地点，而不用传送信息载体本身。这就是量子隐形传态，也就是量子世界的“筋斗云”。多体、多终端、多自由度的量子隐形传态还是构建量子计算机的基本单元。
由于量子叠加和量子纠缠，量子计算的能力随可操纵的量子比特数呈指数增长。指数增长的威力，可以从以下故事中看出。有一位国王非常喜欢国际象棋，于是要奖赏国际象棋的发明者。发明者说，我的要求很简单，请您第一天赏我1粒米，放在棋盘的第一个方格里，第二天赏我2粒米，放在第二个方格里，依此类推，后一天的数量是前一天的2倍，直到放满棋盘。国王很高兴，以为一袋米肯定就足够了。结果让人一算，大为吃惊，所需米粒约为1万亿吨。有人计算过，这相当于全世界约2000年大米产量的总和。
因此，有了量子计算机，可以提供超快的计算能力，揭示复杂系统的规律，完成很多之前难以完成的任务。它将在金融分析、气象预报、药物设计、大数据、人工智能等领域有重要的应用前景。
我的量子研究之路
接下来，我和大家分享一下我自己学习量子物理的故事。
1989年，在中国科学技术大学，我第一次接触到量子力学。之前的学习中，牛顿的万有引力、法拉第的电磁感应、焦耳的能量守恒，还有孟德尔的遗传实验，我都觉得非常美妙，但量子力学让我十分困惑。一只猫怎么可以同时处于又死又活的状态呢？我一直在思索这个问题。
后来，我将量子力学的基本概念问题作为自己本科论文的主题，我花了一年多时间来厘清量子理论的基本概念——量子佯谬。从1991年到现在已经有30多年了，我一直在从事这个领域的工作。我想，要做成一些事情，一定是需要长时间坚持的。
1996年，我留学奥地利因斯布鲁克大学，导师是当时活跃在科学前沿的量子实验学者Anton Zeilinger。这里我跟大家分享一个小故事。那时，老师交给我几篇文章，让我去算一下，看看有什么结果。我花了几天时间算完之后，感到很激动，因为我有一个很重要的发现——量子态可以从一个地方传到另一个地方，不需要有媒介。我就主动要求做一个报告，那时我们组每星期三早上会请一位同学做报告。我讲完之后，居然没有任何一个人问我问题，我感到很失望：我发现了这么重要的东西，居然没有一个人问我问题。最后，我的同事问我：“你知道量子隐形传态吗？”我说不知道。原来，那时大家正在做这个实验，于是我提出加入实验团队。1997年，我们完成了实验，首次实现量子隐形传态。
可见，对科学研究来说，之前的积累和充分准备是非常重要的。1989年我对这个领域产生了兴趣，1996年加入研究团队，1997年取得重要研究成果。这一成果后来入选《自然》杂志“百年21篇经典论文”。
2001年，我回到中国科学技术大学近代物理系，组建量子物理与量子信息实验室，主要开展多光子纠缠操纵研究。很快我意识到，尽管在光量子信息处理方面我们的工作进展不错，但量子信息处理仅靠光子是远远不够的。所以，我建议很多优秀毕业生参加德国、英国、美国、瑞士等国的优秀团队，去学习各种先进技术。
2009年，我有幸在北京人民大会堂观看庆祝中华人民共和国成立六十周年大型音乐舞蹈史诗《复兴之路》，心情十分激动。当时，我给在国外的学生发了短信：“我正在人民大会堂看《复兴之路》，感触良多！甚望你能努力学习提升自己，早日学成归国为民族复兴、科技强国尽力！”此后几年内，他们陆续回到中国科学技术大学，形成了一支优势互补的科研团队。
中国量子科技的发展
在城域光纤量子通信网络方面，我们不断取得重要进展。
2007年，光纤量子通信的安全距离首次突破100公里；2008年，建设了首个全通型城域量子通信网络；2012年，实现了首个规模化量子通信网络。但是，要实现远距离量子通信，还面临着重大挑战。长度为1200公里的商用光纤中，即使每秒发射百亿个光子、探测器效率达到100%，也需要数百万年时间才能传送一个量子比特。
怎么办？一个阶段性的解决方案是，基于可信的中继器连接来实现城际量子通信网络。基于这一方案，我们建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”。现在，我国广域量子保密通信骨干网总长超过10000公里，覆盖北京、上海、广东、重庆等17个省份约80个城市。
不过，这不是一个完美的解决方案，更有效的解决方案是自由空间量子通信。2003年，我们提出卫星量子通信的构想。经过严格的地面验证与关键技术攻关，量子科学实验卫星“墨子号”于2016年8月成功发射。“墨子号”在轨运行半年后，圆满完成了全部既定的科学目标——千公里级量子密钥分发、千公里级星地双向量子纠缠分发、千公里级地星量子隐形传态，充分验证了通过卫星平台实现远距离量子通信的可行性。
通过光纤实现城域量子通信网络，通过中继器连接实现城际量子网络，通过卫星中转实现远距离量子通信，结合“墨子号”和“京沪干线”，我们构建了国际上首个天地一体的广域量子通信网络雏形，这为将来的规模化应用奠定了坚实的科学与技术基础。
我国在量子计算方面也取得了很大的进展。
2020年，我们构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样问题，比当时最快的超级计算机“富岳”快10万倍，实现了国际上首个被严格证明的“量子计算优越性”。2021年的“九章2号”能力较“九章”提升了10万倍，2023年的“九章3号”能力又较“九章2号”提升了100万倍。
在超导量子计算方面，2021年，我们构建了包含62个比特可编程的超导量子处理器“祖冲之号”。同年，将“祖冲之号”升级到66个量子比特，并实现了随机线路取样问题的快速求解，比最快的超级计算机快10万倍，计算复杂度比谷歌的量子计算原型机“悬铃木”高6个数量级。我国成为目前唯一在两种物理体系都达到“量子计算优越性”里程碑的国家。
未来，我们希望通过10到15年的努力，构建完整的天地一体广域量子通信网络技术体系，推动量子通信技术在国防、政务、金融和能源等领域率先加以广泛应用，实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接。我们也会发射中高轨道量子卫星，实现全球化量子纠缠分发，将多个原子钟的原子纠缠起来，实现高精度广域时频传递网络。我们还将研制具备基本功能的可编程的通用量子计算机，进一步探索对密码分析、大数据分析等的应用。
（本报记者徐蓓整理，内容有删减）
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