“量子计算正从玩具变成工具未来怎么快速发展？”

量子通信未来的迅速发展，一方面扩大了量子通信互联网相对有效的复盖范围，如实现量子通信互联网与经典通信互联网的无缝连接、实现可支持千公里量级的量子中继、下一代全天业务的量子卫星互联网的迅速发展等 在工程化集成与验证的实践中，需要推进核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和规模化应用示范。

30多年前，在科学家们研究量子叠加、量子纠缠等量子力学基本问题的过程中，精细的量子控制技术逐渐发展，从人类对量子定律的被动观测到对量子态的主动、准确的操作，诞生了这里所说的量子科学技术。

量子科学技术是量子控制与新闻技术相融合而产生的新兴学科。 在这个行业中，我国已经取得了一系列重要的科学问题和重要的核心技术的突破，并在一些方向上实现了国际领先。 我国的量子科技如何深化快速发展，自主创新科技体系如何构建，从基础研究向实用化、工程化转变的道路如何实现领先性的突破？ 科技日报记者采访了中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟，请他对量子科学技术的快速发展进行思考。

量子通信取代现有的通信方法将大大提高新闻安全水平

科技日报记者:墨子号量子科学实验卫星发射后，我国科学家已经利用它取得了一系列研究成果，使量子通信迅速发展到实用阶段。 这是否意味着之前流传下来的通信方法将诞生？

潘建伟:量子通信是新兴行业，但不能取代现有的通信方法，相反，用新的方法大幅提高现有新闻系统的安全性。

现代新闻安全体系的核心要素是密钥，只要确保密钥的安全，就能保证加密新闻的安全。 以前流传下来的秘密通信中，至今没有能够严密说明其安全性的方法。

但是，量子保密通信可以在已经公开的通道中通过量子密钥实时生成密钥，并安全方便地分发给顾客。 因此，如果新闻在量子密钥传输过程中被窃听，窃听者就不能不留痕迹。 而且这几个是绝对的，由量子力学的基本原理保证。

换言之，量子保密通信是在以前传来的通信中采用量子密钥来提高安全性，并不完全推翻以前传来的通信方法。

科技日报记者:目前，我国已经通过墨子号和京沪干线的实验，首次构建了天地一体化的量子通信互联网雏形，我国的量子通信也已处于国际领先地位。 那么，为了继续维持领导地位，我国需要在那些方面加大力度？

潘建伟:量子通信的快速发展目标是建立全球广域量子通信互联网体系。 首先用光纤实现城域量子通信互联网，再用中继器实现相邻两个城市之间的连接，最终通过卫星平台中继实现远程地域之间的连接，是广域量子通信互联网的快速发展途径。

按照这条路线，量子通信未来的快速发展，一方面是实现量子通信互联网与经典通信互联网的无缝连接，实现可应对千公里量级的量子中继，新一代全天可从事的量子卫星互联网的快速发展等， 一方面需要扩大量子通信互联网比较有效的覆盖范围，另一方面需要在工程化集成与验证的实践中推进核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和规模化应用示范。

有三个里程碑快速发展阶段的通用量子计算机诞生或还需要20年

科技日报记者:除了量子通信外，量子计算也备受关注，国内外公司都声称已进入量子计算行业，但也有观点认为量子计算还很遥远。 你对此有什么看法？

潘建伟:量子计算研究是一项高度复杂的业务，对学术界来说，还是要循序渐进地实现阶段性目标。 国际学术界公认的量子计算快速发展有几个里程碑阶段

第一个里程碑是实现量子计算的优越性。 也就是说，量子计算机对用户问题的计算能力超过了超级计算机，这需要相干操作约50个量子比特。 2019年谷歌实现的量子计算样机悬疑包含53个超导量子比特，在求解随机线采样问题上超越了超级计算机，成功实现了量子计算的优越性。 但是，求解随机抽样似乎还没有现实意义。 现在的量子计算原型机就像玩具，在玩某种游戏上只能打败经典计算机。 其重要作用表明，量子计算机能够超越经典计算机。

第二个里程碑是，为了解决量子化学、新材料设计、优化算法等一些超级计算机无法实现的实用问题，实现数百个量子比特的相干操作的专用量子模拟器。 到了这个时候，量子计算机真的开始有用，成为了工具。 我们希望在510年内实现这样的量子模拟器。 这是目前的首要研究任务。

第三个里程碑是，实现了可编程的通用量子计算机( 99.9% )、经典解密、大容量解码，以及相干操纵至少数百万个量子比特，将量子比特的操作精度提高到容错阈值以上 到了这个阶段，量子计算机可能会和我们现在观念中的计算机差不多，可以有效地解决很多问题。 但是，由于技术上的巨大挑战，通用量子计算机何时实现还不确定，学术界通常认为还需要20多年。

科技日报记者:日前，你的团队构建了76个光子的量子计算样机9章。 据媒体报道，超级计算机可以在一分钟内完成一亿年内完成的任务。 你认为我国的量子计算处于什么样的阶段？

潘建伟:根据目前的最优经典算法，第九章高斯采样问题的解决速度比目前最快的超级计算机富岳快100万亿倍，我国也成功实现了量子计算优势的里程碑，并且第九章的等效速度比谷歌的悬念高100万亿。

除了以第九章为代表的光量子体系外，超冷原子和超导体通道也是被公认最早实现大规模量子位干涉操作的物理体系。 在超导量子计算方面，我国最近也有望实现超过谷歌的量子计算优势。 在超冷原子体系中，我国在规模化原子纠缠的制备和操作方面，在自旋轨道耦合、超冷分子反应等量子模拟方面取得了一系列重要成果，这为实现超冷原子体系的专用量子模拟器奠定了基础。

离子、硅基量子点等物理体系同样具有多比特扩展和容错潜力，也是当今国际量子计算研究的热点方向。 在这些体系的量子计算基本要素方面，我国积累了许多关键技术，处于国际主要研究力量和并行水平。

另外，由于拓扑量子计算的容错优势，利用拓扑体系实现通用量子计算机是一个面向长远的重要研究目标，目前国内外正在努力实现单拓扑量子比特，这是从0到1的突破。

控制技术的迅速发展精密测量已经进入量子时代

科技日报记者:除了上述两个行业外，量子精密测量也是量子科学技术的重要细分行业，与之相比，公众可能并不陌生。 能介绍一下量子技术对精密测量的意义吗？

潘建伟:量子态对环境敏感，其实是非常敏感的传感器。 而且，物理量的量化提供了非常准确的标准。 例如，光子是光能的最小单位，在某个频率下，一个光子的能量是固定值。 如果能够逐个计数光子的话，基本物理量中的发光强度可以用光子数来定义，精度和稳定性都将大幅提高。 这里数光子其实是量子控制的能力。

正是鉴于量子控制和量子新闻技术的高速发展，年第26届国际计量大会通过了以量化的做法定义国际单位制的重大决议。 事实上，时间、位置、加速度、电磁场等众多物理量，都可以利用量子技术实现超越经典技术极限的精密测量。

科技日报记者:量子精密测量包括那些应用行业？

潘建伟:量子精密测量的第一应用包括高精度的光频率标识和时频传播、量子陀螺仪、原子重力仪等量子导航技术、量子雷达、微量原子示踪、弱磁场检测等量子灵敏检测技术等。 这些技术将在惯性导航、新一代时间基准、隐性目标识别、全球地形测绘、医学检测等广泛行业发挥重要意义。

我国量子精密测量行业的研究总体上与发达国家有一定的差距，但这一差距近年来正在迅速缩小，同时在一些方向上已经相当于公开报道的国际最高水平。

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