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潘建伟:255台光子计算原型机正在开发中高轨量子卫星

澎湃新闻记者 邵文。潘建

“2020年,伟台我们实现了76台光子量子计算原型机的光计高轨‘九章’。在解决高斯玻色取样的算原具体问题上,‘九章’的型机星速度是当时最快的经典超级计算机的100万亿倍。之后,正开我们的发中系统不断升级。最近,量卫我们实现了255个光子的潘建九章三号计算原型机。它解决特定问题的伟台能力是经典超级计算机的1000万亿倍。5月10日,光计高轨第三届BEYOND国际科技创新博览会在澳门举行(BEYOND Expo 2023年),算原中国科学院院士、型机星中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长、正开中国科技大学常务副院长潘建伟介绍了量子科技的发中工作和未来前景。

潘建伟率先开发了世界上第一颗量子科学实验卫星墨子号,建成了世界上第一条量子保密通信骨干网“京沪干线”

潘建伟在会上透露,“我们目前正在开发第一颗中高轨量子卫星,计划在2026年左右发射。除实现量子密钥分发外,这也为中高轨卫星量子精密测量提供了一个新的平台。与此同时,潘建伟表示,他计划在中高轨道卫星上携带一个超高精度的光钟,其稳定性将达到10-19倍,即每年的误差不超过一秒。

潘建伟,中国科学院院士,中国科学院量子信息与量子科技创新研究所所长,中国科技大学常务副校长。(主办方供图)。

潘建伟在BEYOND为澎湃科技整理了以下内容 Expo 2023年演讲记录:

2022年诺贝尔物理奖授予三位量子技术领域的先驱,表彰他们利用纠缠光子实现贝尔不等式违规(意味着纠缠粒子确实是一个不可分割的整体,不能赋予每个粒子单独的局域性),从而创造量子信息科学。我很高兴在2022年诺贝尔物理奖的新闻发布会和科学背景介绍中,重点介绍了中国科学家的相关工作,包括“墨子”量子卫星实现星地密钥分发、地星量子隐形传态和我们最近设备无关的量子密钥分发。

为了方便大家理解,请允许我简要介绍量子叠加的原理。众所周知,在我们的日常生活中,一只猫只能在某个特定的时刻生存或死亡。然而,根据量子叠加原理,一只猫在量子事件中可以同时处于两种状态。当量子叠加原理扩展到多粒子系统时,我们可以得到量子纠缠的概念。例如,量子世界中的两只猫可以同时处于生死状态。这种状态就像两个骰子,不管它们有多远,其中一个和另一个一定是一样的。爱因斯坦称量子纠缠现象为遥远地点之间的奇怪互动。

在物理上,任何两能系统(包括两能量量子系统)都可以用来构建量子比特。例如,我们可以使用光子水平和垂直极化状态来编码量子比特信息。两个光子的量子系统可以处于四个最大的极化纠缠之中,然后通过贝尔不等式测试量子力学的定义过程。物理学家开发了一种可以高精度控制量子系统的量子技术,导致了量子信息科学的诞生。

量子信息科学主要包括两个应用:一是利用量子通信,原则上可以提供无条件、安全的通信方式。第二,我们可以通过量子计算大大提高运算。

量子密钥分发是最著名的量子通信协议,可以实现基于单光子的量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD),从而在两个用户之间产生安全密钥,然后结合一次密钥,实现无条件、安全的信息传输。同时,基于量子纠缠的量子密钥分发也可以实现。

在量子计算中,人们利用量子比特编码信息,利用量子叠加原理实现超快并行计算,原则上可以实现指数级加速。大数分解算法是目前最著名的量子算法。例如,分解一个300位的自然数需要15万年的时间,而使用相同速度的量子计算机只需要一秒钟。因此,量子计算机可应用于破解经典密码、天气预报、金融分析和药物设计等领域。为了实现广义的量子通信网络,我们可以利用光纤构建城市量子通信,利用量子继电器实现两个城市之间的城际量子通信。在量子卫星平台的进一步帮助下,我们可以实现远程量子通信。

经过近20年的努力,中国科学家成功开发了世界上第一颗量子科学卫星墨子号,并于2016年8月发射。2017年9月,远距离光纤量子通信骨干网“京沪干线”正式开通。结合“墨子号”和“京沪干线”,我们在广域量子通信网络原型技术上初步验证了天地一体化量子网络的可行性。在量子计算方面,实现通用量子计算机需要很长时间。

学术界设定了三个发展阶段,以确保该领域的健康发展。

第一阶段是实现量子计算的优势。量子计算系统对某些特定问题的解决速度远远超过了经典的超级计算机,显示了量子计算本身的优势。第二阶段是建立一个特殊的量子模拟器,以解决一些经典计算机难以胜任的特定复杂问题,如高温超导机制。第三阶段的最终目标是在量子纠缠的帮助下实现一般的可编程量子计算。

2020年,我们实现了76台光子量子计算原型机的“九章”。在解决高斯玻色取样的具体问题上,“九章”的速度是当时最快的经典超级计算机的10万倍。之后,我们的系统不断升级。最近,我们实现了255个光子933号光量的计算原型机,其解决特定问题的能力是经典超级计算机的1000万亿倍。

为了在未来实现量子通信的全球化,我们需要克服卫星量子通信面临的问题。第一,单颗低轨卫星不能直接覆盖世界;第二,目前的卫星只能在低区工作,相应的解决方案是发射多颗低轨卫星,形成高效的卫星网络。也就是说,在所谓量子星座的基础上,我们可以发射过境时间较长的中高轨卫星来分发更多的密钥。

实现这些方案的一个基本前提是卫星可以在太阳辐射的背景下工作。2017年,我们在阳光下实现了远程自由空间量子通信的地面实验,验证了量子通信全天可行,实现了实用、低成本、轻量化的微纳量子卫星。

济南一号,世界上第一颗微纳量子卫星,已于2022年7月发射,其载荷仅为20公斤,与“墨子号”相比已大幅下降。目前,我们正在开发第一颗中高轨量子卫星,计划在2026年左右发射。除实现量子密钥分发外,这也为中高轨卫星量子精密测量提供了一个新的平台。

我们利用中高轨量子卫星实现1000公里量级量子纠缠分发。未来,我们将借助全球纠缠分发纠缠多个原子,大大提高原子钟的稳定性。同时,我们计划在中高轨卫星上携带一个超高精度的光钟,其稳定性将达到10-19倍,即每年误差不超过1秒。

利用高精度光钟和高精度光频目标的传输,可以提高全球化的高精度。与目前微波损伤的准确性相比,可以提高4个数量级,为新一代的秒定义提供相应的技术支持。原则上,光钟的稳定性可以达到10-21次方,因为外太空磁场和地球引力的噪音极其微弱。

利用超高精度的光钟和超高精度的光频传输,我们可以在外太空建立一个干涉仪,用干涉仪检查一些基本的物理原理,包括暗物质和引力波的检测。

在量子计算领域,我们希望在未来五年内实现数百个量子比特的相关操作。建立一个特殊的量子模拟器可以帮助我们理解一些复杂的物理系统规律,如高温超导机制、量子霍尔效应等。经过10到15年的努力,我们希望能够操纵数百万个量子比特,实现量子纠缠,初步构建可编程的通用量子计算机。

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