陆朝阳发表论文

来源:光明日报

量子计算机“九章”

【晒晒咱的国之重器11】

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟院士团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。同日，国际学术期刊《科学》发表了该成果，这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”，审稿人如此评价。

有多重大？答案是：这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

所谓“量子优越性”，即对于特定任务，量子计算机可以解决，而现存的任何经典计算机运用任何已知算法，都不能在一个可接受的时间内完成。

有多“优越”？“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比超级计算机“富岳”快100万亿倍，也就是说，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，而截至2020年，世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。同时，“九章”克服了谷歌超导量子比特计算机“悬铃木”的一个漏洞。

“在费曼提出量子计算的概念近40年后，‘九章’在实验上严格地证明了量子计算的加速能力，把梦想变成了现实。”潘建伟团队成员、中国科学技术大学教授陆朝阳说，和原子、离子、超导电路等类型的量子计算机相比，光量子计算可在室温下、空气中运行，能克服量子噪声极限，结构亦相对比较简单。“‘九章’使得我国第一次进入国际量子计算第一方阵。”

“九章”啥样？在安徽合肥微尺度物质科学国家研究中心，两个通过光纤连接起来的长3米宽1.5米的不起眼“盒子”和“盒子”里密布的光学元器件，就是“九章”。“一个用来产生光源，另一个进行干涉，把光信号变成电信号后引到隔壁的探测器进行分析。”陆朝阳的学生、“九章”论文第一作者、95后博士生钟翰森介绍。

值得一提的是，研制出“九章”的团队，除了潘建伟、陆朝阳几位导师外，主力都是像钟翰森这样的年轻人！

更值得骄傲的是，“九章”构建后不到一年，2021年10月，“九章”的升级版“九章二号”成功构建，再次刷新国际光量子操纵的技术水平，其处理特定问题比目前全球最快的超级计算机快亿亿亿倍。

加上2021年10月中国科大发布的超导量子计算机“祖冲之二号”，这一系列令人瞩目的成果，标志着我国已成为世界上唯一一个在超导和光量子两个“赛道”上达到“量子优越性”里程碑的国家。

“证明‘量子优越性’，可以说是量子计算机研制征程上的一个里程碑。‘九章二号’和‘祖冲之二号’的诞生，像一对双子星，照亮了量子应用更广阔的前程。”潘建伟说。

今年6月15日，中国科学家潘建伟团队在量子通讯技术研究上，再次获得世界级突破，相关研究结果也登上了最新一期的《Nature》，取得了举世瞩目的骄人成就。不过在国内，似乎关注的人并不太多，反而西方国家对这一突破 表现出了相当高的关注度。

在这次实验中，潘建伟团队从位于地面以上500公里、人类首颗量子通讯卫星“墨子号”，向位于新疆的两个地面站发射光子，全球首次实现千公里级基于纠缠的无中继量子密钥分发。这次试验的距离是此前类似试验距离的10倍，达到1120公里。外媒评论称，这次试验的成功，意味着中国在人类量子科技发展上取得里程碑式的突破。

量子通讯应用研究为何在近年来受到世界各国的高度重视？这源于一种有趣的物理现象。两个粒子不管相距多远，只要他们建立了相互纠缠的状态，这种状态就会始终保持下去。当对其中一个粒子进行测量造成扰动，另一个粒子的状态也会同步发生改变，这就使得远距离安全通讯成为可能。

当通讯的信息以量子纠缠状态发送出来以后，如有人试图破解或盗取信息内容，必然会扰动这一量子纠缠态， 瞬间会造成通讯的中断，信息归零。科学界认为，这种通讯技术在效率和安全性方面，要比目前的光纤通讯高出上亿倍！这样的技术一旦得以应用，我们国防通讯、商业通讯、民用通讯的安全性和便利性将实现数量级的飞跃！

那么，中国在这场通讯技术研发竞赛中处于什么位置？用美国加州量子技术公司总裁厄尔的话说，“北京远远领先于美国。”这句话并非空穴来风。中国科学家不但在全球首发了量子通讯卫星，还在天-地之间建立了量子通讯链路。

我们的相关研发已进入到量子通讯实际应用的验证阶段，毫不夸张地说，中国是绝对意义上的NO.1。

奇怪的是，我们国内有一部分人天天以学术打假的名义高喊抹黑潘建伟，认为量子通信是一场。但仔细一看就会发现，持这种观点的绝大多数人连薛定谔方程都不会写，甚至把量子力学的基本事实都予以否定。千方百计地想凭借抹黑潘建伟而上位，如此看来孰是孰非一眼便知。

其实早在2017年，潘建伟就被世界顶级期刊《Nature》评为年度科学人物，世界各国的量子通信团队都将潘建伟视为学科发展带头人。不知那些抹黑潘建伟的人 看到6月15日这一被国际同行高度认可的重大突破，还会说些什么？

在国际上首次实现六光子纠缠、八光子纠缠和十比特超纠缠，三次刷新了多光子纠缠和光学量子计算领域的两项世界记录，两次入选了两院院士评选的年度中国科技十大进展新闻 ；首次用光量子比特实现Shor算法，成果被美国物理学会以“量子计算的突破”专题报道，并入选了年度中国高等学校十大科技进展 ；首次演示容失量子编码；首次模拟任意子分数统计；首次实现多体纠缠交换；首次演示基于隐形传态的量子逻辑门；首次完成单量子点自旋的动力学测量；首次实现单电子自旋的光学非破坏性读取；首次实现原子系综之间的量子隐形传态；首次实现基于量子点的脉冲共振荧光；在国际物理学界最权威的综述性评论期刊Reviews of Modern Physics上发表题为“多光子纠缠和干涉度量学”的长篇综述论文（这是中国科学家在该期刊上以中国为第一单位发表的第一篇实验综述论文 ）等。

量子力学的发展确实伴随着大量的矛盾与争议，特别是在量子通信开始发展后，有部分“消息灵通”人士已经洞察了量子通信的“伪科技”本质，并且还再三指责科普量子通信的文章为伪科学站台！这些诘问到底是科学的吗？

量子通信的原理是什么？

量子通信的原理还要问么，不就是量子纠缠么，传说中的量子通信就是将纠缠中的两个量子分开，即使相隔在宇宙的两端，当A粒子的状态发生改变时，B粒子也会随之发生改变，这个通讯速度超越光速，距离再遥远也是即时通信！

听起来完美的量子通信确实应该如此，但事实上我们并不能做到在观察处在量子叠加态的不触发坍缩，所以从理论上来看，这种完美的通信方式是不可能存在的，这是不是人类的技术不够，而是量子世界的客观坍缩理论所决定的！

客观坍缩理论

薛定谔方程的线性性质允许粒子自然地处于几个不同量子态的叠加态，当然它也允许宏观物体处在几个不同量子态的叠加态，但在大自然中从来都没有观察到过这种现象！因为宏观物体永远都会占据一个确定的位置，因此将微观物质的尺寸加大时，它的位置和动量将会被同时确定！

但在微观状态下，这个处于量子叠加的状态是允许存在的，但根据哥本哈根诠释的波函数坍缩假说，在观察动作之后，叠加态会坍缩为可观察量的几个本征态之中的一个本征态，而坍缩至任何一个本征态的概率遵循玻恩定则！

所以很抱歉，根据哥本哈根诠释，这种直接利用纠缠态的量子通信是不存在的。

EPR佯谬

量子通信的最早起源是来自爱因斯坦向波尔反驳量子论不完备的EPR佯谬，爱因斯坦在第六届索尔维会议上的光箱实验被波尔击败，此后他与波多尔斯基和罗森花了数年时间，整出了一个《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗？》的论文，发表在《物理评论》上。

这个思想实验很容易明白：一个不稳定的大粒子衰变为两个小粒子，假设这两种粒子有可能的量子自旋，粒子A为左旋，为了保持守恒，那么另一个小粒子B必定是右旋！然后将两个粒子分开很远，比如几万光年，但我们在观察之前，并不知道哪个是左旋，哪个是右旋！

但当我们观察粒子A时，那么它的波函数瞬间坍缩，随机选择了一种状态，比如说是右旋，那么B粒子必定会变成左旋，那么请问它们是如何保持一致的呢？既然没有超光速通信，因此认为在分开的一瞬间，粒子A和B的左右旋就被确定了！

阿斯派克特实验

但量子论并不是这样解释，而是认为无论相隔多远，在观测之前，它们仍然处在量子叠加态，所以根本不存在什么超光速通讯，叠加态的观测时坍缩，一个随机选择左旋，一个右旋以保持守恒！

这就是后来用他们名字首字母命名的ERP佯谬！

这个EPR佯谬提出后，由于设备局限，所以爱因斯坦尽管处在下风，但他并不认输，真正的试验要到1980年代的法国奥赛理论与应用光学研究所的阿斯派克特试验才被证明是哥本哈根诠释是比较正确的！因为此时爱因斯坦只输了5个标准方差！

后来关于EPR佯谬试验的设备越来越先进，到1998年奥地利因斯布鲁克（Innsbruck）大学的实验时，爱因斯坦输得就有点惨了：30个标准方差！

现在的量子通信到底是什么量子通信？

准确的说，现在的量子通信并不是量子纠缠通信，而是量子加密通信，要了解量子加密通信的话，必须要来了解下BB84协议！

这个协议是查尔斯·贝内特和吉勒·布拉萨在1984年发表的论文中提到的量子密码分发协议，后来以两个人的名字第一个字母+年份，作为了这个经典协议的名字，任意两组共轭状态都可以用此协议，它利用的是光子的偏振态来传输信息，详细描述有些不容易理解，请看下图：

BB84协议

在这个过程中，如果有人窃听，那么窃听者为了光子的偏振态，那么必须做测量，那么会导致秘钥的误码率增加，双方可以约定误码率超过多少时该组秘钥就被废弃！

这种量子通信的方式有一个缺点，必须用一个量子秘钥发送通道和传统数据传输通道，两者必须配合才能正常工作，因此当前研究的也是如何更高效以及更远距离和更少的误码率发送与接收秘钥，但数据仍将通过Internet网来完成！

当然通信除了速率外最终要的指标就是不可破译，传统的秘钥中总是存在各种缺陷，并不能做到100%保密，但量子秘钥不一样，可以发现秘钥被窥视，因此这种秘钥分发的安全性超出想象！

为什么有人再三指责量子通信？

除了网上那些有的没有的指责各种量子通信周边工程配套外，其他主要集中在如何制造出取得单光子的光源，2016年1月14日潘建伟、陆朝阳在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了题为《On-Demand Single Photons with High Extraction Efficiency and Near-Unity Indistinguishability from a Resonantly Driven Quantum Dot in a Micropillar》的论文，物理评论快报上的截图如下：

当然种花家也看不懂这种论文，不过随后美国物理学会的《物理》(Physics）网站以“全能的单光子源”为题刊发了介绍文章，《自然》（Nature）期刊也以“可实用化的单光子源”在其研究亮点栏目作了深入报道，英国物理学会的《物理世界》（Physics World）和美国光学学会的《光学与光子学新闻》（Optics & Photonics News）也做了长篇报道。

潘建伟（右）、陆朝阳

有一点是我们是可以了解的，到今年为止已经接近5年，这种突破性的进展同行评议时效性很强，很快就会有各大科学团体跟进，当然《物理评论快报》的审核也不是吃素的，这种经过将近5年时间考验的论文，也不是一个推销交通方面作品的老兄可以随便推翻的。

其实还有很多站不住脚的观点，但人家很有耐心，堆砌各种文字，看上去很有说服力，不过种花家实在不想一一辩驳，最后送句古诗词给这位老兄“两岸猿声啼不住、轻舟已过万重山”，当大家在这里呱噪时，人家早已发表多篇SCI论文了，假如真有料，不妨也发表几篇？

他的比谷歌悬铃木快一百亿倍？怎么计算的？他的计算有一个案例吗？仅仅又是理论猜测？正如网友认为：一会儿量子卫星、一会儿一眨眼又量子计算机、一会儿量子之父！谁不知美国谷歌，⋯这些人利用了某些人喜爱高大上的厉害了的面子工程，形象工程，己经玩我高层于股掌之间，并已经达到极至。科学本身就是在质疑、在不断否定之中成长。忽悠们为什么怕别人质凝？还动不动什么敌对势力？说你是伟大，就是朋友，质疑你就是敌？什么混帐逻辑？我们等待他们的产品岀来吧，如果没有，就是一个大忽悠，如果有，也是谷歌在先。不要有一点试验，就又什么世界霸主了！超越美国了！一看就知道太不成熟了，狂热充满头脑。什么潘是量子之父呀！一派胡言，1900年普朗克发现量子，你怎么敢妄称“量子之父”？还有潘的信口开河，令人喷饭：什么所有日用量子产品都是！屁臭不臭？谁说量子科学，不用能用到民用？日用？无知！脚踏实地搞好自己的技术吧！本份一点，不要凭着弯道超车，搞了一点小动作，就狂妄无知，猖狂得比天高。一切让时间检验，是真是假拿出实证应用来说话，不要把理论猜测拿来忽悠高层与主媒，总有一天是要水落石出的，一句话，出来混总是要还的。

陆朝阳出生于1982年12月，是一位标准的80后，早在2015年，陆朝阳的研究成果，就入选2015年英国物理学会评选的国际物理学年度突破榜首，2017年路长阳获得欧洲物理学会授予菲涅尔奖，2019年分别获得科学探索奖和仁科芳雄亚洲奖，真的非常了不起

作为量子信息领域的80后明星科学家，中国科学技术大学教授童朝阳的工作再次获得国际奖项认可。童朝阳是量子领域顶尖的科学家之一