·2020年，76個光子的量子計算原型機“九章”在求解高斯玻色取樣的特定問題上，速度是當時最快的經(jīng)典超級計算機的100萬億倍。近期潘建偉團隊已經(jīng)實現(xiàn)了255個光子的九章3號計算原型機，它針對特定問題的求解能力已經(jīng)比經(jīng)典的超級計算機快1000萬億倍。

·當前我們正在研制第一顆中高軌量子衛(wèi)星，計劃2026年前后發(fā)射。同時，潘建偉稱計劃在中高軌衛(wèi)星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的穩(wěn)定度將達到10的-19次方，相當于時鐘約一千億年的誤差不超過一秒。

中國科學院院士、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長、中國科學技術大學常務副校長潘建偉視頻演講。

“在2020年我們實現(xiàn)了76個光子的量子計算原型機‘九章’，‘九章’在求解高斯玻色取樣的特定問題上，速度是當時最快的經(jīng)典超級計算機的100萬億倍。之后我們的系統(tǒng)進行了不斷的升級，近期我們已經(jīng)實現(xiàn)了255個光子的九章3號計算原型機，它針對特定問題的求解能力已經(jīng)比經(jīng)典的超級計算機快1000萬億倍。”5月10日，在澳門舉辦的第三屆BEYOND國際科技創(chuàng)新博覽會（BEYOND Expo 2023）上，中國科學院院士、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院院長、中國科學技術大學常務副校長潘建偉介紹了目前量子科技方面的工作和對此領域的未來展望。

潘建偉牽頭研制了國際上首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，建成了國際上首條量子保密通信骨干網(wǎng)“京滬干線”，并構建了首個空地一體的廣域量子保密通信網(wǎng)絡雛形。

在會上，潘建偉透露，“當前我們正在研制第一顆中高軌量子衛(wèi)星，計劃2026年前后發(fā)射。除了要實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)之外，這也為中高軌衛(wèi)星量子精密測量提供了新的平臺。”同時，潘建偉稱計劃在中高軌衛(wèi)星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的精度達到E-19（10的負19次方）水平，相當于時鐘約一千億年的誤差不超過一秒。

以下為澎湃科技（m.school126.cn）整理的潘建偉在BEYOND Expo 2023上的演講實錄：

2022年的諾貝爾物理學獎頒給了3位量子科技領域的先驅，以表彰他們利用糾纏光子實現(xiàn)了貝爾不等式的違背（意味著糾纏粒子對確實是不可分離的整體，無法賦予其中每個粒子單獨的局域性質），并因此開創(chuàng)量子信息科學。非常高興的是，在2022年諾貝爾物理學獎的新聞發(fā)布會和科學背景介紹中，都對中國科學家的相關工作進行了重點介紹，包括“墨子號”量子衛(wèi)星實現(xiàn)星地的密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)以及我們最近的設備無關的量子密鑰分發(fā)的工作。

為了便于大家理解，首先請允許我對量子疊加原理進行簡要介紹。大家都知道，在我們的日常生活中，一只貓在某一個確定的時刻只能處于活或者死狀態(tài)里面的某一個。然而根據(jù)量子疊加原理，在量子事件當中一只貓可以同時處在兩種狀態(tài)。當把量子疊加原理拓展到多粒子體系，我們就可以得到量子糾纏的概念。例如在量子世界當中的兩只貓，可以同時處于活和死狀態(tài)的相關疊加。這種狀態(tài)就像兩個骰子一樣，不論它們相距多么遙遠，其中一個擲出的點數(shù)和另外一個一定是一樣的。愛因斯坦將量子糾纏的這種現(xiàn)象稱為遙遠地點之間的詭異的互動。

在物理上任何兩能級的系統(tǒng)（含有兩個能級的量子系統(tǒng)）都可以用來構建一個量子比特，比如我們可以用一個光子水平和豎直兩種極化狀態(tài)來編碼一個量子比特的信息。對于兩光子的量子系統(tǒng)就可以處在四個最大的極化糾纏之中，再通過貝爾不等式來檢驗量子力學被定義的過程，物理學家從中發(fā)展出可對量子系統(tǒng)進行高精度調控的量子技術，從而導致了量子信息科學的誕生。

量子信息科學主要包括兩方面的應用：第一，利用量子通訊我們可以提供一種原理上是無條件安全的通訊方式。第二，利用量子計算我們可以大幅度提高運算。

量子密鑰分發(fā)是最著名的量子通訊協(xié)議，可以實現(xiàn)基于單光子的量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution，QKD），從而在兩個用戶之間產(chǎn)生安全的密鑰，再結合一次一密，就可以實現(xiàn)無條件安全的信息傳輸。同時，也可以實現(xiàn)基于量子糾纏的量子密鑰分發(fā)。

在量子計算當中，人們是利用量子比特來編碼信息，利用量子疊加原理實現(xiàn)超快的并行計算，從而在原理上可以達到指數(shù)級的加速。大數(shù)分解算法是目前最著名的量子算法，比如要分解一個300位的自然數(shù)，利用每秒運算萬億次的經(jīng)典計算機需要15萬年，而用同樣運算速度的量子計算機則只需要一秒鐘。因此量子計算機可以應用在破解經(jīng)典密碼、天氣預報、金融分析和藥物設計等多個領域。為了實現(xiàn)廣義的量子通訊網(wǎng)絡，我們可以利用光纖來構建城域量子通訊，利用量子中繼來實現(xiàn)兩個城市之間的城際量子通訊，在量子衛(wèi)星平臺進一步的幫助下，可以實現(xiàn)遠距離的量子通訊。

我國科學家經(jīng)過近20年的努力，成功研制了世界上首顆量子科學衛(wèi)星“墨子號”并在2016年8月成功發(fā)射。到了2017年9月，遠距離光纖量子通訊骨干網(wǎng)——“京滬干線”正式開通。結合“墨子號”和“京滬干線”，我們在廣域量子通訊網(wǎng)絡雛形的技術上已經(jīng)初步驗證天地一體化的量子網(wǎng)絡在原理上可行。而在量子計算方面，實現(xiàn)通用的量子計算機還需要長時間的努力。

為了確保該領域的健康發(fā)展，學術界設定了三個發(fā)展階段。

第一個階段是要實現(xiàn)量子計算的優(yōu)越性，量子計算系統(tǒng)對某些特定問題的求解速度已經(jīng)遠遠超過了經(jīng)典超級計算機，展現(xiàn)出量子計算本身的優(yōu)越。第二階段是構建專用的量子模擬器，用來求解一些經(jīng)典計算機難以勝任的特定復雜問題，比如高溫超導機制等。最后第三階段的目標是希望在量子糾纏的幫助下，實現(xiàn)通用的可編程量子計算。

在2020年我們實現(xiàn)了76個光子的量子計算原型機“九章”?！熬耪隆痹谇蠼飧咚共Ｉ拥奶囟▎栴}上，速度是當時最快的經(jīng)典超級計算機的10萬倍。之后我們的系統(tǒng)進行了不斷的升級，近期我們已經(jīng)實現(xiàn)了255個光子的“九章”3號光量的計算原型機，它針對特定問題的求解能力已經(jīng)比經(jīng)典的超級計算機快1000萬億倍。

為了在未來實現(xiàn)全球化的量子通訊，我們需要克服目前衛(wèi)星量子通訊所面臨的難題。一是單顆的低軌衛(wèi)星沒辦法直接覆蓋全球；二是目前的衛(wèi)星還只能在低區(qū)工作，而相應的解決方案是通過發(fā)射多顆低軌衛(wèi)星來構成一個高效率的衛(wèi)星網(wǎng)絡。也就是說在所謂量子星座的基礎上，我們可以發(fā)射具有更長過境時間的中高軌衛(wèi)星，以此來分發(fā)更多的密鑰。

而這些方案實現(xiàn)的一個根本前提，就是衛(wèi)星能在太陽輻射的背景下工作。在2017年的時候，我們已經(jīng)實現(xiàn)在日光背景下的遠距離自由空間量子通信的地面實驗，驗證了量子通訊是全天可行的，實現(xiàn)了實用化、低成本和輕量化的微納量子衛(wèi)星。

國際上首顆微納量子衛(wèi)星“濟南一號”已經(jīng)在2022年7月發(fā)射，它載荷的重量只有20公斤，與“墨子號”相比已經(jīng)大幅度降低。當前我們正在研制第一顆中高軌量子衛(wèi)星，計劃2026年前后發(fā)射。除了要實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)之外，這也為中高軌衛(wèi)星量子精密測量提供了新的平臺。

我們利用中高軌量子衛(wèi)星實現(xiàn)萬公里量級的量子糾纏分發(fā)，在未來將借助全球化的糾纏分發(fā)將多個原子糾纏起來，從而大幅度提高原子鐘的穩(wěn)定。與此同時，我們計劃在中高軌衛(wèi)星上搭載一顆超高精度的光鐘，它的精度達到E-19（10的負19次方）水平，相當于時鐘約一千億年的誤差不超過一秒。

利用高精度的光鐘和高精度的光頻標的傳輸，就可以實現(xiàn)全球化的高精度提升，相比當前微波受損的準確度可以提高4個數(shù)量級，為新一代的秒定義提供了相應的技術支撐。在外太空由于磁場和地球引力的噪聲極其微弱，所以在原則上光鐘的穩(wěn)定度可以達到10的-21次方。

利用超高精度的光鐘和超高精度的光頻傳輸，我們可以在外太空構建一個干涉儀，利用干涉儀開展一些物理學基本原理的檢驗，包括暗物質的探測和引力波的探測等等。

在量子計算領域，我們希望在未來的5年可以達到對數(shù)百個量子比特的相關操縱，構建專用的量子模擬器能幫助我們理解一些復雜物理系統(tǒng)規(guī)律，如高溫超導的機理，量子霍爾效應等等。通過10至15年的努力，我們希望能夠操縱上百萬個量子比特，并實現(xiàn)量子糾纏，初步構建可編程的通用量子計算機。

更正：本文稍早之前的版本，將“光鐘的精度達到E-19（10的負19次方）水平，相當于時鐘約一千億年的誤差不超過一秒”誤寫成“一年的誤差不超過一秒”，特此更正，并向讀者致以歉意。