讲科学家潘建伟的故事，说量子科学的创新发展
日期：2020-12-14 阅读数：
最近，中国的各大媒体，都在报道中国量子科学的新成果。中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了里程碑式的突破，使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家，其算力全球领先。潘建伟感动中国，潘建伟惊艳世界。潘建伟的名气怎么这么大？量子科学为什么魅力无穷？下面讲科学家潘建伟的故事，说量子科学的创新发展。
（一）
潘建伟的故事相当励志。潘建伟，1970年3月，出生在浙江省东阳市马宅镇雅坑村，先后毕业于马宅镇雅坑小学(青联公社第一名)，吴宁镇中(全年级第一名)。就是当年这样一个勤奋好学的他，成为国内外著名的物理学家，成为中科院院士。2013年，他43岁就获得何梁何利基金“科学与技术成就奖”。“科学与技术成就奖”是何梁何利基金最高奖项，迄今，共有包括两弹一星元勋钱学森、王淦昌、王大珩、彭桓武、朱光亚，国家最高科学技术奖获得者叶笃正、黄昆、王忠诚、谷超豪、徐光宪等在内的30位优秀科学家获此荣誉。2015年，科研成果“多自由度量子隐形传态”入选英国物理学会新闻网站《物理世界》评选的“2015年度国际物理学领域的.十项重大突破”并名列榜首。2016年，由他作为第一完成人的科研项目“多光子纠缠及干涉度量”获得了2015年度国家自然科学奖一等奖，该奖项被称作中国自然科学领域最高奖。潘建伟因45岁的年龄优势，刷新了2006年支志明49岁获该奖的年龄记录。一个多月前，2015年度中国十大科技进展在京揭晓，中科大潘建伟、陆朝阳等完成的“多自由度量子隐形传态”成果名列中国十大科技进展之首。
2016年8月16日，由我国科学家自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射，它将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。这将是跨度最大、史上最安全的通信网络。这个项目的首席科学家正是潘建伟。
潘建伟长期从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究，对量子通信等研究有创新性贡献，是该领域的国际著名学者，潘建伟有关实现量子隐形传态的研究成果入选美国《科学》杂志“年度十大科技进展”，并同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。其研究成果曾6次入选两院院士评选的“中国年度十大科技进展新闻”、5次入选欧洲物理学会评选的“年度物理学重大进展”、4次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”。潘建伟的科技成果，为中国的青年科学家树立了榜样。
看了中央电视台“感动中国”节目，我为潘建伟感动并点赞。“感动中国”推选委员刘姝威评价说，在巨大的名利声望前，坚守学术的真谛，这是学者最难能可贵的。“感动中国”评选委员会给予潘建伟的颁奖词为：嗅每一片落叶的味道，对世界保持着孩童般的好奇，只是和科学纠缠，保持与名利的距离，站在世界的最前排和宇宙对话，以先贤的名义，做前无古人的事业。
（二）
量子科学是非常时髦的词汇。那么什么是量子？一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”，它最早是由德国物理学家M・普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍，从而很好地解释了黑体辐射的实验现象。
量子信息科学是量子力学与信息学交叉形成的一门边缘学科。近年来，量子信息学给经典信息科学带来了新的机遇和挑战，量子的相干性和纠缠性给计算科学带来迷人的前景。量子信息科学的诞生和发展，反过来又极大丰富了量子理论本身的内容，深化了量子力学基本原理的内涵，并进一步验证了量子论的科学性。
量子计算机已成为引发激烈角逐的科技前沿。而且相关竞争有愈演愈烈之势。潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。
可喜可贺的是，中国量子计算原型机“九章”问世，实现了算力全球领先。据中国科学技术大学2020年12月4日消息，该校潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍（“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年）。等效地其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”）。相关论文于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》。
具体地表述：潘建伟团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98%的100模式干涉线路，相对光程10-9以内的锁相精度，高效率100通道超导纳米线单光子探测器，成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”（命名为“九章”是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》）。
（三）
“九章”对于中国意义非凡，对世界印象深刻。根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了1030（“悬铃木”输出量子态空间规模是1016，目前全世界的存储容量是1022）。该成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外，基于“九章号”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。
值得特殊介绍的是，潘建伟的研发“九章”的团队中还有一群90后生力军，其中论文4名第一作者分别出生于1995年、1991年、1997年和1990年。年龄最小的邓宇皓，1997年出生，师从陆朝阳和潘建伟教授，本科毕业于中国科学技术大学少年班学院。潘建伟不仅自己强，还培养带动了一个厚积薄发的团队。
这让我联想到习近平总书记在2020年9月11日召开的科学家座谈会上的重要讲话，习近平总书记提出“四个面向”要求，为我国“十四五”时期以及更长一个时期推动创新驱动发展、加快科技创新步伐指明了方向，激励着广大科学家和科技工作者肩负起历史责任，不断向科学技术广度和深度进军。习近平总书记对今后的科技创新寄予厚望。
实践告诉我们，科技兴则国兴，科技强则国强。当前，我国发展面临的国内外环境发生深刻复杂变化，经济社会发展和民生改善比过去任何时候都更加需要科学技术解决方案，都更加需要增强创新这个第一动力。在激烈的国际竞争面前，在单边主义、保护主义上升的大背景下，必须加快解决制约科技创新发展的关键问题，特别是要把原始创新能力提升摆在更加突出的位置，努力实现更多“从0到1”的突破，走出一条适合我国国情的科技创新路子。
基础研究是科技创新的源头。我国面临的很多“卡脖子”技术问题，根子是基础理论研究跟不上，源头和底层的东西没有搞清楚。只有持之以恒加强基础研究，不断强基固本，才能为科技创新提供源源不竭的动力。向科学技术广度和深度进军，必须持之以恒加强基础研究。一方面，要遵循科学发现自身规律，以探索世界奥秘的好奇心驱动，另一方面要靠重大科技问题带动，使基础研究和应用研究相互促进。要明确我国基础研究领域方向和发展目标，通过各种渠道加大基础研究投入，对开展基础研究有成效的科研单位和企业，在财政、金融、税收等方面给予必要政策支持。要创造有利于基础研究的良好科研生态，大力弘扬科学家精神，建立健全科学评价体系、激励机制，让科研人员潜心搞研究、专心做学问。国家科技创新力的根本源泉在于人。加快科技创新，必须依靠改革激发活力，加强创新人才教育培养。中国的科技创新，任重道远。
我们需要看到，美国之所以强悍，其中是与美国的科技力量强大分不开的。中国和美国比较，综合国力的差距还很明显，美国的创新指数比中国高11位，顶尖科学家是中国的4.3倍。我们要实现“两个一百年”的宏伟目标，更需要科技创新，重点依靠科技创新，特别是在“十四五”期间，必须加大科技进步的步伐，向科学技术广度和深度进军，为加快科技创新、推动高质量发展注入新动能。希望更多的潘建伟感动中国，惊艳世界！
秦寄翔
