中國量子技術 「只有在一兩個點 走在世界前列」

　　錢童心

　　由潘建偉院士帶領的中國科技大學量子技術科研團隊近日發表最新研究成果，在國際上首次實現十光子糾纏，再次刷新了光子糾纏態製備的世界紀錄。

　　這也是今年該團隊繼發射量子科學實驗衛星後，再次創造世界紀錄。儘管已經成為國際上量子領域的引領者，但潘建偉仍然十分謙遜。他說：「目前我們國家只有在一兩個點走在世界的前列，還不敢說領先，量子技術要達到國際上廣泛認可的領先還要花10~20年。」

　　鬼魅的超距作用

　　此前，八光子紀錄同樣由潘建偉院士帶領的中國科學技術大學量子技術科研團隊中陸朝陽、陳宇翱等研究組成員創造，並保持4年之久。該團隊的「多光子糾纏和干涉度量學」去年還獲得了國家自然科學一等獎，並成為歷史上獲此殊榮最年輕的團隊。

　　多粒子糾纏操縱作為量子信息處理基本能力的核心指標，能夠系統性地應用於量子通信、量子計算等多個研究方向，一直是國際角逐的焦點。此次研究成果還將應用於大尺度量子信息技術。

　　「多光子糾纏」，顧名思義，就是讓多個光子產生糾纏，這是利用光子做量子隱形傳態和量子計算的必要前提。量子力學中「糾纏」指的是多粒子的一種疊加態。當兩個粒子發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，也就是一個「糾纏態」。在沒有外界干擾的情況下，無論兩個粒子相隔多遠，糾纏態都可以存在，因此量子糾纏曾經被愛因斯坦稱為「鬼魅的超距作用」(spookyactionatadistance)，並以此來質疑量子力學的完備性（因為違反了他提出的「定域性」原理）。但是，後來每一次實驗都證實了量子力學的正確性，非定域的量子糾纏可以存在，定域性原理必須捨棄。

　　中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心、中國科學技術大學上海研究院副研究員張文卓在回答第一財經記者解釋時表示：「隨著量子信息學的誕生，量子糾纏成為量子通信和量子計算的核心。」

　　十光子的意義

　　張文卓表示，針對量子信息處理尤其是光量子計算的需求，糾纏的光子數自然是越多越好。在實驗上，光子糾纏需要對光子源產生的光子通過各種光學干涉的方法來獲取，這就是「多光子糾纏」和「多光子干涉度量學」成為一個整體課題的原因。產生糾纏的光子數越多，干涉和測量的系統也就越複雜，實驗難度也就越大。

　　把雙光子干涉產生糾纏的方法層層累加，擴展到更多的光子，就可以形成更多光子的糾纏。中國科學技術大學公開資料顯示，潘建偉團隊從2004年開始，一直保持著糾纏光子數的世界紀錄。2004年在世界範圍內首次實現了五光子糾纏，2007年在世界範圍內首次實現了六光子糾纏，2012年又在世界上第一個實現了八光子糾纏，並且保持該紀錄至今。

　　由於光子產生和光學干涉測量的概率都是隨著光子數指數上升，所以每增加一個糾纏光子，光學干涉系統就要複雜一倍，糾纏的產生難度也會隨著光子數指數上升。該團隊以多光子糾纏技術為基礎，在自由空間量子通信領域實現了世界首個百公里級的量子糾纏分發和量子隱形傳態，在量子計算領域實現了世界上首個光量子Shor演算法和拓撲量子糾錯。

　　但「多光子糾纏和干涉度量學」這僅僅是潘建偉院士團隊的一部分工作。2016年，該團隊承擔研製的世界首顆「量子科學實驗衛星」的發射升空，將實現世界首個星地間的量子保密通信和量子隱形傳態。同時，緣於該團隊技術成果的世界首個量子保密通信主幹網路「京滬幹線」也將於明年初建成。

　　京滬幹線在路上

　　中國科學技術大學陳宇翱教授在12月24日的一場由潘建偉院士發起的「墨子沙龍」的科普活動上接受第一財經記者採訪時表示，京滬幹線開通後就將進入實質性的運營階段。「比起開通，商業化運營意義更為重大，好比造了大樓得要有人住進來才行。」陳宇翱說，「接下來就不是學校的項目了，京滬幹線本來就是實用化的試點，發改委支持產業化就是希望建了以後有人願意花錢來買。如果有銀行願意付錢來用，才能算是真正的成功。」

　　量子保密通信對於金融領域的意義重大，那麼銀行究竟願意花多少錢來買？據陳宇翱介紹，目前北京到上海的不帶保密功能的裸帶寬均價是帶寬2.5G每年1億元人民幣，而新的採用量子保密技術的寬頻能夠提供100G的加密帶寬，按目前的均價來計算，價值約40億，而這僅僅是一家銀行需要支付的價格。

　　潘建偉院士在墨子沙龍上表示，他的團隊在未來會帶給中國和全世界更多的驚喜。他介紹了目前團隊在量子通信、量子計算和精密測量等方面的進展。潘建偉說：「量子通信技術通過加密後要傳輸任務，是直接面嚮應用的。量子科學實驗衛星首先追求極高的指標，首試完成後，除了完成量子密鑰分發，還要完成量子力學的檢驗以及地星之間的量子隱形傳態。雖然量子隱形傳態是面向未來的，是幾百年之後的事情，但是我現在必須要開始想起來了。」

　　潘建偉還介紹稱，除了量子通信之外，他的團隊還在進行量子精密測量的工作。他舉例道：「例如直升機在大海上飛行時可以看到水底下的潛艇的活動。按照現在的技術水平，陀螺裝在潛艇里，過一兩周就要浮上水面接受天上的北斗衛星位置的校準，而如果使用量子測量，一百天的誤差也只有幾百米，不用浮上來，也就不容易被發現蹤跡。」此外，量子的精密測量還將用於癌細胞早期的監測、原子鐘時間的傳輸等等。

　　目前量子通信和量子計算國家都已經成立重大科研項目。在量子計算領域，潘建偉團隊已經和阿里巴巴合作成立了「中科院-阿里巴巴量子計算聯合實驗室」，在保持光量子計算世界領先地位的同時，將大力推動我國量子計算整體研究水平。

　　此外，針對未來星地一體化網路的建設、是否還將發射多顆量子衛星，量子科學實驗衛星工程常務副總設計師、衛星總指揮、中科院上海分院副院長王建宇對第一財經記者表示：「量子的很多科學技術難點在墨子號量子衛星中已經得到解決，但是科學衛星是做實驗用的，後一步怎麼做，一定要有應用。高軌同步衛星就是下一步的目標，在更高的軌道上量子通信的時間增加，真正實現實用化。雖然在更高軌道的量子通信的傳輸技術上肯定有難度，但是我們現在已經討論出技術解決辦法，結果在5~10年後就會揭曉。」