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量子计算优越性的里程碑 中国科学家是怎么做到的?

发布于:2020-12-04 被浏览:3862次

量子物理似乎离我们的生活很远,但量子力学催生的各种技术其实已经进入了我们的生活。今天,中国科学家带领团队开发了中国量子计算原型的九个章节,实现了里程碑式的突破。什么是量子?量子有什么用?量子通信和量子计算是什么意思?中国的R&D进程是怎样的?国际挑战有哪些?

出品:"格致论道讲坛"公众号(ID:SELFtalks)

以下是中国科学技术大学教授陆朝阳的演讲:

大家好,我很荣幸有机会和大家分享我在过去十年中在量子通信领域发生的一些故事。

很多人可能都看过这个新闻。2016年8月16日,中国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星。

几乎所有最重要的国际媒体,如BBC、《纽约时报》、《自然》、《科学美国人》等杂志,都报道了这一事件,并将其评为改变世界的十大科学事件之一。《华尔街日报》也被报告为《沉寂了一千年,中国誓回发明创新之巅》。

以量子卫星为代表的中国的一系列量子信息技术成果,也直接或间接引发了欧美的大量投资。比如欧洲正式启动量子技术旗舰项目,美国也通过了《国家量子行动法案》。

欧美对量子技术的投资

谷歌、IBM、微软等公司在量子计算研究方面也非常强势。

谷歌、IBM、微软等公司都参与了量子计算研究

通常我们也会看到很多新闻,比如斯诺登爆料美国正在研发一种可以破译任何密码的量子计算机。当然,我们不需要斯诺登的爆料,我们知道美国肯定会投资开发类似的量子计算机。

谷歌和IBM经常出于商业目的发布关于量子计算的新闻。再比如扎克伯格的女儿,刚刚满月,开始学《宝宝的量子物理学》(当然是开玩笑)。这些让我们感到一种特殊的危机感。

扎克伯克一家

当然也有一些不靠谱的广告,比如量子鞋垫,量子水.

虚假广告

从小娃娃到大企业,引起如此高兴趣的是什么量子?它有什么用?中国现在处于什么阶段?这就是我想和大家分享的。

什么是量子

量子是物质和能量最基本的单位。我站在讲台上,有一盏灯,它有最小的不可分割的单位,它的能量很小。一个40瓦的灯泡,一秒钟可以发出万亿个光子,也就是1020个光子。

光子

物质的基本单位,如原子和分子的典型尺寸是10 -10米,比纳米小十倍,几乎是我们头发的百万分之一。

原子

分子的

我们不能用眼睛直接“看到”这些量子基本粒子。设想如下。如果能把自己缩小成孙悟空那样的非常小的苍蝇,再进一步缩小成电子,我们就可以试着在原子内部看到它。

下图是用薛定谔方程计算出的一个最简单的原子,即只有一个原子核和一个电子组成的氢原子的美丽形状。物理并不像想象的那么枯燥,它是一门很美的学科。

氢原子的波函数

有句话说:一叶一菩提,一沙一世界。接下来,通过一个非常简单的游戏,我们知道了量子世界的运动中存在着哪些奇怪的规律。

许多人打过保龄球。在这个新游戏中,保龄球通过两个狭缝,最终会在后屏幕上留下两个标记。

如果保龄球被简化为电子游戏,再玩一次。这时,一个非常奇怪的现象出现了。如视频结尾所示,屏幕上会出现几条明暗线。

量子保龄球的实验结果

如下图所示,经典世界与量子世界形成鲜明对比。经典的世界是我们大家都熟悉的,结果就是球打了。在量子世界里,有点像孙悟空的分离。球的两个头像可以一起穿过左右缺口。

左:经典世界右:量子世界

这是量子世界不同于经典世界的一个非常奇妙的特征。量子世界允许一个物体同时以多种状态存在。

量子计算主要靠这个特性。计算的基本单位是0和1。比如我们可以用图中的红蓝线分别表示0和1。

量子世界

在一个量子位中,0和1两种状态同时存在。50个量子位中有250个态。这些状态可以同时输入一个函数,同时得到250个状态的结果,提供了一种非常快速的并行计算方法。

但是如果我们想看看下面量子的保龄球是从左边(红色)还是右边(蓝色)走,就出现了一个更奇怪的现象。

如果没人观察,量子会同时通过两边。一旦有人观察,这种量子现象就会消失,退化回经典现象。

所以量子的状态与是否被测量有关。这个性质是对量子保密通信原理的形象描述,也就是说,一旦有人窃听量子通信的信道,他必然会干扰和改变量子状态,使通信双方都能注意到,从而在物理原理上保证通信的安全性。

量子通信的秘密原理

量子的应用

很多人觉得这听起来很有趣,但似乎感觉不到高冷量子物理与我们生活的关系。事实上,在过去的100年里,自从量子力学发展以来,它所催生的各种技术已经彻底改变了我们的生活。

例如,我们今天使用的计算机、笔记本电脑和手机芯片的基本计算单元是晶体管,它是根据量子力学中的能带理论发明的。

激光也来源于量子力学,我们使用的硬盘(巨磁电阻)、硬盘、LED照明都依赖于量子力学。但这些之前的量子技术都是基于量子定律的宏观应用。

第一次量子革命

近几十年来,物理学发展到了一个新的阶段。即使有几十亿个光子,一个光子和一个原子也可以在实验室里精确控制。这些技术在第二次量子革命中催生了一些新技术,包括安全通信、超快计算、精密测量等。

第二次量子革命

中国量子技术的发展

在改革开放的40年里,许多方面发生了翻天覆地的变化。回顾过去,我们会对这种变化有更深的感受。我们把时间线定在1996年,当时我的导师潘建伟刚刚去奥地利留学。

有一天,他兴奋地去找他的导师安东塞林格,说他通过计算发现了一个有趣的理论方案。做完这个项目,安东问他有没有听说过“量子隐形传态”,潘老师说不知道。

左:安东泽林格右:潘建伟

当时由于互联网水平的限制和国际期刊在国内的知名度不够,在不知道Bennett等人1993年的PRL文章的情况下,潘建伟再次独立推导出量子隐形传态,这是量子信息中的一个核心方案。

从到因斯布鲁克的第一天起,他的导师安东就问潘建伟,他的留学梦想是什么,他回答说:“在中国建设世界一流的量子实验室”。

十年来,在中科院、科技部、基金委、教育部等部门的支持下,这个梦想正在逐步走向现实。

人才培养和团队建设课程

2002年,我们队只有5个人。自2006年以来,许多年轻学生被派往世界各地的国际先进实验室学习新技术。

2009年,刚刚参加完主题展《复兴之路》,潘建伟老师激动地给几乎所有的同学发了一条短信,希望我们能回国,为民族复兴尽一份力。2011年,这些学生基本都回国了。

我们团队的主要研究路线是从量子基础研究开始,然后进入应用基础研究,再慢慢把一些可以直接应用和产业化的技术投入实际应用,以此来反馈社会经济发展。

研究路线

比如在多光子纠缠领域,我们一直保持着世界领先的地位。目前我们已经实现了18个光量子的纠缠。

纠缠量子比特数

量子通信

利用国际领先的多光子纠缠和干涉技术,我们在2017年实现了首个在“波色采样”这一具体任务上可以超越前两台经典计算机的光学量子计算原型。这是向“量子霸权”的早期基本检验迈出的一步。

我们一直在做的不是弯道超车,而是直道超车。量子科学实验卫星就是直道超车的一个很好的例子。

在争论开始时,一些专家会问这样的研究是否在国外进行过。有很多人的观念,就是基本上我们已经开始留学了。

基于量子卫星和“京沪干线”(京沪干线:连接北京和上海,贯穿济南和合肥,全长2000多公里的量子通信骨干网),我国首次描绘了天地一体的量子通信网蓝图。

京沪干线

如今,包括欧洲和美国在内的许多外国组织都主动来到中国组织,要求加入我们的合作项目。2017年,“墨子”实现了从北京到维也纳7600 km的量子保密通信。

下图是地面与卫星对接,位于中国西藏阿里。

地面和卫星对接

量子计算和精密测量

此外,我们在量子计算方面做了系统的布局,利用超冷原子可以实现一些实用的量子模拟技术。

超冷原子的量子模拟

利用超导量子计算来探索和解决一般的量子计算机,我们已经纠缠了12个超导量子比特。

12个超导量子比特的纠缠

通常你可能会在新闻里听到IBM实现了50个量子比特,Google实现了72个量子比特,但是他们声称的量子比特数无法形成量子纠缠。

在过去的十年里,我们在世界上获得了一些很好的评价。2007年,《新科学家》在其专刊《中国崛起》中提到:“中国科技大学——,因而整个中国——,在量子计算的世界地图上牢牢占据了一席之地”。

2012年,2010年科技十大亮点,《自然》,说“它标志着中国在量子通信领域的崛起,从10年前的一个不起眼的国家,变成了现在的世界强国”。之后的2013年、15年、17年、18年,我们也取得了原创性的成就,被评选为一些重大国际进步。

获奖情况。从左到右:《自然》,2012;美国物理学会《2013年亮点》;英国物理学会的“2015突破”;《自然》“2017国际重大科学事件”

下图总结了我国量子信息领域高水平期刊发表论文的情况。可以看出,从1998年以来,高水平论文的数量增加了80多倍。这也是我国改革开放40年来科技进步的缩影。

中国量子信息领域高水平论文发表情况

未来,我希望利用我刚才提到的技术,通过地面光纤实现城市中多个节点的量子通信网络,然后利用卫星实现超长距离,如几千公里的安全信息传输,构建一个能够保证国家信息安全的骨干网络,同时孕育下一代信息技术。

总的来说,量子通信已经比较成熟,中国全面领先欧美。而量子计算刚刚从基础研究进入技术积累和集中研究阶段,根据实施难度基本可以分为三个阶段。

量子计算发展的三个阶段

第一阶段:量子霸权。量子霸权是一个学术定义,指的是在某个问题上,构建出超越经典计算机的量子计算机的能力。我们希望在未来两三年内实现这个目标。

第二阶段:实用量子模拟器。未来5-10年,我们希望实现一些有实用价值的模拟器,如材料设计、组合优化、大数据等。

第三阶段:通用量子计算机。这是最终也是最难的目标。

量子精密测量比量子计算更容易实现,将得到广泛应用。一些重要的物理量,如重力、磁场、电场和温度,都是利用量子位非常敏感的特性来测量的。因此,它可以用于导航技术、生命医学检测等。

左侧:惯性导航右侧:重力图

左图:纳米级空间分辨率的高灵敏度电磁场和温度测量;右:环境和安全监控

虽然目前形势良好,但我们也面临着一些非常严峻的国际挑战。2017年10月24日,美国国会举行听证会,讨论如何确保美国在量子技术国际竞争中的领先地位。

会议提到:“德国是第一个发展核武器的国家,但美国率先制造原子弹;前苏联是第一个进入太空的国家,但美国率先登月。虽然中国目前在量子技术的几个方向都有优势……”

".只要美国政府有意愿,它一定能够再次领导.美国绝不能承担量子技术革命竞争失败的代价。”

最后做个总结。曼哈顿计划改变了20世纪的世界格局。在第一次量子革命中,由于历史原因,中国没有太多的参与,但现在第二次量子革命是一个非常好的机会,一个让我们从追随者和模仿者变成领导者的机会。希望中国科学家能在第二次量子革命中起到非常好的作用。

谢谢大家。

格致论道”,原称“SELF格致论道”,是中国科学院全力推出的科学文化讲坛,由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办,中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播,旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载。

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