講科學(xué)家潘建偉的故事，說量子科學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展
日期：2020-12-14 閱讀數(shù)：
最近，中國(guó)的各大媒體，都在報(bào)道中國(guó)量子科學(xué)的新成果。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了里程碑式的突破，使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家，其算力全球領(lǐng)先。潘建偉感動(dòng)中國(guó)，潘建偉驚艷世界。潘建偉的名氣怎么這么大？量子科學(xué)為什么魅力無窮？下面講科學(xué)家潘建偉的故事，說量子科學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展。
（一）
潘建偉的故事相當(dāng)勵(lì)志。潘建偉，1970年3月，出生在浙江省東陽市馬宅鎮(zhèn)雅坑村，先后畢業(yè)于馬宅鎮(zhèn)雅坑小學(xué)(青聯(lián)公社第一名)，吳寧鎮(zhèn)中(全年級(jí)第一名)。就是當(dāng)年這樣一個(gè)勤奮好學(xué)的他，成為國(guó)內(nèi)外著名的物理學(xué)家，成為中科院院士。2013年，他43歲就獲得何梁何利基金“科學(xué)與技術(shù)成就獎(jiǎng)”?！翱茖W(xué)與技術(shù)成就獎(jiǎng)”是何梁何利基金最高獎(jiǎng)項(xiàng)，迄今，共有包括兩彈一星元?jiǎng)族X學(xué)森、王淦昌、王大珩、彭桓武、朱光亞，國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者葉篤正、黃昆、王忠誠(chéng)、谷超豪、徐光憲等在內(nèi)的30位優(yōu)秀科學(xué)家獲此榮譽(yù)。2015年，科研成果“多自由度量子隱形傳態(tài)”入選英國(guó)物理學(xué)會(huì)新聞網(wǎng)站《物理世界》評(píng)選的“2015年度國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域的.十項(xiàng)重大突破”并名列榜首。2016年，由他作為第一完成人的科研項(xiàng)目“多光子糾纏及干涉度量”獲得了2015年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)被稱作中國(guó)自然科學(xué)領(lǐng)域最高獎(jiǎng)。潘建偉因45歲的年齡優(yōu)勢(shì)，刷新了2006年支志明49歲獲該獎(jiǎng)的年齡記錄。一個(gè)多月前，2015年度中國(guó)十大科技進(jìn)展在京揭曉，中科大潘建偉、陸朝陽等完成的“多自由度量子隱形傳態(tài)”成果名列中國(guó)十大科技進(jìn)展之首。
2016年8月16日，由我國(guó)科學(xué)家自主研制的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，它將在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。這將是跨度最大、史上最安全的通信網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)項(xiàng)目的首席科學(xué)家正是潘建偉。
潘建偉長(zhǎng)期從事量子光學(xué)、量子信息和量子力學(xué)基礎(chǔ)問題檢驗(yàn)等方面的研究，對(duì)量子通信等研究有創(chuàng)新性貢獻(xiàn)，是該領(lǐng)域的國(guó)際著名學(xué)者，潘建偉有關(guān)實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的研究成果入選美國(guó)《科學(xué)》雜志“年度十大科技進(jìn)展”，并同倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對(duì)論等影響世界的重大研究成果一起被《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。其研究成果曾6次入選兩院院士評(píng)選的“中國(guó)年度十大科技進(jìn)展新聞”、5次入選歐洲物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”、4次入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“年度物理學(xué)重大事件”。潘建偉的科技成果，為中國(guó)的青年科學(xué)家樹立了榜樣。
看了中央電視臺(tái)“感動(dòng)中國(guó)”節(jié)目，我為潘建偉感動(dòng)并點(diǎn)贊?！案袆?dòng)中國(guó)”推選委員劉姝威評(píng)價(jià)說，在巨大的名利聲望前，堅(jiān)守學(xué)術(shù)的真諦，這是學(xué)者最難能可貴的?！案袆?dòng)中國(guó)”評(píng)選委員會(huì)給予潘建偉的頒獎(jiǎng)詞為：嗅每一片落葉的味道，對(duì)世界保持著孩童般的好奇，只是和科學(xué)糾纏，保持與名利的距離，站在世界的最前排和宇宙對(duì)話，以先賢的名義，做前無古人的事業(yè)。
（二）
量子科學(xué)是非常時(shí)髦的詞匯。那么什么是量子？一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。量子一詞來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”，它最早是由德國(guó)物理學(xué)家M?普朗克在1900年提出的。他假設(shè)黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
量子信息科學(xué)是量子力學(xué)與信息學(xué)交叉形成的一門邊緣學(xué)科。近年來，量子信息學(xué)給經(jīng)典信息科學(xué)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，量子的相干性和糾纏性給計(jì)算科學(xué)帶來迷人的前景。量子信息科學(xué)的誕生和發(fā)展，反過來又極大豐富了量子理論本身的內(nèi)容，深化了量子力學(xué)基本原理的內(nèi)涵，并進(jìn)一步驗(yàn)證了量子論的科學(xué)性。
量子計(jì)算機(jī)已成為引發(fā)激烈角逐的科技前沿。而且相關(guān)競(jìng)爭(zhēng)有愈演愈烈之勢(shì)。潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。2017年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)（ENIAC）的光量子計(jì)算原型機(jī)。2019年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國(guó)際最高性能單光子源，實(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。
可喜可賀的是，中國(guó)量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問世，實(shí)現(xiàn)了算力全球領(lǐng)先。據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)2020年12月4日消息，該校潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍（“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年）。等效地其速度比去年谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。這一成果使得我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑：量子計(jì)算優(yōu)越性（國(guó)外也稱之為“量子霸權(quán)”）。相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
具體地表述：潘建偉團(tuán)隊(duì)通過自主研制同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源，同時(shí)滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)于98%的100模式干涉線路，相對(duì)光程10-9以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”（命名為“九章”是為了紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》）。
（三）
“九章”對(duì)于中國(guó)意義非凡，對(duì)世界印象深刻。根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對(duì)于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。同時(shí)，通過高斯玻色取樣證明的量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016，目前全世界的存儲(chǔ)容量是1022）。該成果牢固確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位，為未來實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的規(guī)?；孔幽M機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于“九章號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)的高斯玻色取樣算法在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。
值得特殊介紹的是，潘建偉的研發(fā)“九章”的團(tuán)隊(duì)中還有一群90后生力軍，其中論文4名第一作者分別出生于1995年、1991年、1997年和1990年。年齡最小的鄧宇皓，1997年出生，師從陸朝陽和潘建偉教授，本科畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院。潘建偉不僅自己強(qiáng)，還培養(yǎng)帶動(dòng)了一個(gè)厚積薄發(fā)的團(tuán)隊(duì)。
這讓我聯(lián)想到習(xí)近平總書記在2020年9月11日召開的科學(xué)家座談會(huì)上的重要講話，習(xí)近平總書記提出“四個(gè)面向”要求，為我國(guó)“十四五”時(shí)期以及更長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、加快科技創(chuàng)新步伐指明了方向，激勵(lì)著廣大科學(xué)家和科技工作者肩負(fù)起歷史責(zé)任，不斷向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍。習(xí)近平總書記對(duì)今后的科技創(chuàng)新寄予厚望。
實(shí)踐告訴我們，科技興則國(guó)興，科技強(qiáng)則國(guó)強(qiáng)。當(dāng)前，我國(guó)發(fā)展面臨的國(guó)內(nèi)外環(huán)境發(fā)生深刻復(fù)雜變化，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和民生改善比過去任何時(shí)候都更加需要科學(xué)技術(shù)解決方案，都更加需要增強(qiáng)創(chuàng)新這個(gè)第一動(dòng)力。在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)面前，在單邊主義、保護(hù)主義上升的大背景下，必須加快解決制約科技創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵問題，特別是要把原始創(chuàng)新能力提升擺在更加突出的位置，努力實(shí)現(xiàn)更多“從0到1”的突破，走出一條適合我國(guó)國(guó)情的科技創(chuàng)新路子。
基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的源頭。我國(guó)面臨的很多“卡脖子”技術(shù)問題，根子是基礎(chǔ)理論研究跟不上，源頭和底層的東西沒有搞清楚。只有持之以恒加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，不斷強(qiáng)基固本，才能為科技創(chuàng)新提供源源不竭的動(dòng)力。向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍，必須持之以恒加強(qiáng)基礎(chǔ)研究。一方面，要遵循科學(xué)發(fā)現(xiàn)自身規(guī)律，以探索世界奧秘的好奇心驅(qū)動(dòng)，另一方面要靠重大科技問題帶動(dòng)，使基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究相互促進(jìn)。要明確我國(guó)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域方向和發(fā)展目標(biāo)，通過各種渠道加大基礎(chǔ)研究投入，對(duì)開展基礎(chǔ)研究有成效的科研單位和企業(yè)，在財(cái)政、金融、稅收等方面給予必要政策支持。要?jiǎng)?chuàng)造有利于基礎(chǔ)研究的良好科研生態(tài)，大力弘揚(yáng)科學(xué)家精神，建立健全科學(xué)評(píng)價(jià)體系、激勵(lì)機(jī)制，讓科研人員潛心搞研究、專心做學(xué)問。國(guó)家科技創(chuàng)新力的根本源泉在于人。加快科技創(chuàng)新，必須依靠改革激發(fā)活力，加強(qiáng)創(chuàng)新人才教育培養(yǎng)。中國(guó)的科技創(chuàng)新，任重道遠(yuǎn)。
我們需要看到，美國(guó)之所以強(qiáng)悍，其中是與美國(guó)的科技力量強(qiáng)大分不開的。中國(guó)和美國(guó)比較，綜合國(guó)力的差距還很明顯，美國(guó)的創(chuàng)新指數(shù)比中國(guó)高11位，頂尖科學(xué)家是中國(guó)的4.3倍。我們要實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”的宏偉目標(biāo)，更需要科技創(chuàng)新，重點(diǎn)依靠科技創(chuàng)新，特別是在“十四五”期間，必須加大科技進(jìn)步的步伐，向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍，為加快科技創(chuàng)新、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展注入新動(dòng)能。希望更多的潘建偉感動(dòng)中國(guó)，驚艷世界！
秦寄翔
