中科大潘建伟发表论文

北京时间1月7日凌晨，中国科学技术大学潘建伟团队在《自然》杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”的论文，验证了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。

中国科学技术大学教授潘建伟表示：“我们的工作表明，量子通信技术对于大规模的实际应用已经足够成熟。类似地，如果把来自不同国家的国家量子网络合并在一起，并且如果大学，机构和公司聚集在一起以标准化相关协议、硬件等，则可以建立全球量子通信网络。”

全球首个天地一体化量子通信网络

研究团队在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上，构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个星地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络，实现了地面跨度4600公里的星地一体的大范围、多用户量子密钥分发，并进行了长达两年多的稳定性和安全性测试、标准化研究以及政务金融电力等不同领域的应用示范。

这项研究成果由潘建伟及其同事陈宇翱、彭承志等与中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、济南量子技术研究院及中国有线电视网络有限公司合作。

“论文是对上述成果的一个系统性总结，证明了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。我国科研人员通过构建天地一体化广域量子保密通信网络的雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。”中国科学技术大学在官方网站上称。

尽管研究论文是一项总结性的工作，但是意义重大。自“墨子号”量子卫星于2016年8月发射以来，研究团队在优化地面站接收光学系统、提高QKD发射系统时钟频率并应用更高效QKD协议的基础上，实现了卫星对地面站的高速量子密钥分发，生成速率比之前的工作高出约40倍；研究团队还成功地将卫星与地面的安全成码距离从1200公里拓展到2000公里，相应的地面站俯仰角跨度可达170 ，几乎可覆盖整个天空。

与传统的加密不同，量子通信被认为是不可破解的，因此银行，电网和其他部门的安全信息传输的未来。量子通信的核心是量子密钥分发（QKD），它使用粒子的量子状态（例如光子）形成一串加密字符串或者密钥，在发送方和接收方之间进行的任何窃听都会更改此字符串或密钥，并立即引起注意。

目前普遍的QKD技术使用光纤进行数百公里的传输，具有很高的稳定性，但对通信信道损耗很大；而利用卫星和地面站之间的自由空间进行千公里级别的传输，将地面光纤和自由空间结合，可以实现大规模、全覆盖的全球化量子通信网络。

根据中国科学技术大学介绍，按通信信道的不同，量子密钥分发主要有光纤和自由空间两种实现方式。光纤QKD技术的信道稳定性较好，可以实现基本恒定的安全码率，在城域城际范围内可以方便的连接到千家万户；在超远距离、移动目标、岛屿和驻外机构等光纤资源受限的场景，可以通过卫星中转的自由空间信道连接。

量子通信网络已接入多个行业领域

2017年9月底正式开通的量子保密通信京沪干线，总长超过2000公里，覆盖四省三市共32个节点，是目前世界上最远距离的基于可信中继方案的量子安全密钥分发干线。研究团队攻关了高速量子密钥分发、高速高效率单光子探测、可信中继传输和大规模量子网络管控监控等系列工程化实现的关键技术。建成后，开展了长达两年多的相关技术验证和应用示范以及大量的稳定性测试、安全性测试及相关标准化研究，同时京沪干线网络的密钥分发量可以支持1.2万以上用户同时使用。

目前该天地一体化量子通信网络已经接入包括金融、电力、政务等150多家行业用户。2019年初，国家电网有限公司基于该网络，建立了跨越2600公里的量子密钥分发信道，实现了电力通信数据加密传输，首次从工程上检验了星地量子通信开展实际业务的可行性。

“本工作发展的相关技术也为量子通信系统小型化、低成本、国产化奠定了基础。”中国科学技术大学方面表示，“最近团队成功研制了重量约百公斤的小型地面站，实现了与墨子号的星地量子密钥分发实验，和国际多个地面站的进行了星地量子密钥分发实验，未来有望进一步做到可单人搬运；同时，在保证密钥分发速率的前提下已经成功研制几十公斤的小型化空间量子密钥分发载荷，这些成果也为形成卫星量子通信国际技术标准奠定了基础。”

根据《自然》论文，未来该团队将与来自奥地利、意大利、俄罗斯和加拿大的国际合作伙伴进一步扩大在中国的网络。他们还将致力于开发小型、经济高效的QKD卫星和地面接收器，以及中高地球轨道卫星，以实现空前的万公里级QKD传输。

另据中国科学技术大学介绍，在天地一体化量子通信网络大量测试结果及标准化研究的基础上，全球三大标准化组织之一ISO/IEC正在基于京沪干线的实践编制国际标准《QKD安全要求、测试与评估方法》，另一国际组织ITU也正基于京沪干线的建设模式起草可信中继安全要求、QKD网络功能架构等国际标准。

在200秒时间内，76个光子穿过中国科学技术大学潘建伟团队精心构筑的光学网络，完成了5000万个样本的高斯玻色采样。而同样一道数学题交给世界上最顶尖的超级计算机，需要6亿年。

这个于12月4日揭开面纱的光量子计算模型机名为“九章”，是世界上第二次达到加州理工学院教授普雷斯基尔提出的“量子霸权”（Quantum supremacy）标准的量子计算实验。“量子霸权”亦称为“量子优越性”（Quamtum advantage），即量子计算机在特定问题上超越世界上性能最好的经典计算机。

事实上，中科院院士潘建伟早在9月份的西湖大学公开课演讲上就曾“剧透”过这一成果。他当时表示：“近期已经完成50个光子的高斯玻色采样，按照现在的初步估计和数据分析，应该能够比谷歌的量子优越性大概快100万倍。”

世界上首个宣布实现量子优越性的是美国谷歌公司。2019年，谷歌使用了53个超导量子比特制作了一台名为Sycamore的处理器，运行随机量子线路进行采样，耗时约200秒可进行100万次采样。而最强超算、 美国橡树岭国家实验室Summit计算机得到同样结果需要花上一年，差距约十亿（10的9次方）倍。

而这次，潘建伟团队构筑的“九章”与顶级超算的差距超过了百万亿（10的14次方）倍。

当然，潘建伟团队的光量子计算机和谷歌的超导量子计算机路径不同，任务也各有所长。玻色采样和随机路线采样分别是两者最擅长的问题，而且目前还不具备实际应用意义。

可以说，量子优越性是以量子计算机之长，比超算之短的“表演赛”，并不意味着经典计算机就要被淘汰了。不过，量子优越性确实是关键的里程碑，为未来量子计算机走向实用性问题奠定基础。

实现量子优越性也需许多理论与工程难题，相关知识技术更是具备丰富的潜在价值。那么，玻色采样究竟是一个怎样的问题？潘建伟团队如何取得了此次突破？

相关论文题为《基于光子的量子计算优越性》（Quantum computational advantage using photons）、于北京时间12月4日03：00发表在世界顶级学术期刊《科学》（Science）上。

论文摘要显示，研究团队将50全同单模压缩态输入100模式超低损耗干涉线路，利用100个高效单光子探测器进行高斯玻色采样，输出态空间维度达到了10的30次方，采样速率比最先进的超级计算机要快上10的14次方倍。

什么是玻色采样？

我们知道，在设计建筑、飞机的时候，工程师们需要用计算机来进行各种计算和模拟。而如果我们要研究的是微观世界的“量子建筑”呢？

其中微观粒子复杂的变化和相互作用，远远超过了经典计算机的能力范围。最好，是用量子的方式来模拟量子问题。

这就是著名物理学家理查德·费曼在1980年代提出的量子计算机构想：“自然不是经典的，如果你想对自然进行模拟，那么你最好把计算机给量子化。”

大家普遍认为，玻色采样就是这样一个适于量子计算机发挥的任务。它是将非经典光输入线性光学网络后，用单光子探测器来探测输出光子的数量、路径和纠缠态，其结果是高度随机的。

我们可以借助研究随机分布的“高尔顿钉板”实验来理解玻色采样。

一颗直径略小于两颗钉子间距的小圆球在钉板上向下滚落，碰到钉子后皆以1/2的概率向左或向右滚下，接着又碰到下一层钉子。如此继续下去，直到从底板的一个出口滚出为止。把许多同样的小球不断从入口处放下，只要球的数目相当大，它们在底板将堆成近似于正态的密度函数图形，即中间高，两头低，呈左右对称的古钟型。

而在玻色采样问题上，全同光子就是小球，分束器就是钉子，线性光学网络就是钉板。当一束光通过分束器时会被分成两束强度较低的光，一束透射，另一束反射。计算在n个全同玻色子经过网络后，特定一种输出结果的概率（例如输入3个光子后，分别在1号、3号、4号“出口”输出），就是玻色采样问题。

科学家们计算后认为，该问题的经典最优解法随着光子数的增加求解步数呈指数上涨。光量子计算机在中小规模下就可以打败超级计算机。

那么，谷歌超导量子计算所进行的随机线路采样也是一个能充分展现量子优越性的问题，光子玻色采样相较之下有何特别？

潘建伟团队论文引述了一种观点，即改进经典算法后，超算只需要数天就能像Sycamore一样进行100万次随机线路采样。这样的话，如果样本数量足够大，比如到了10的10次方的话，入股有足够的存储空间，量子优势将被逆转。

而光量子计算机在玻色采样上就不存在这种依赖于样本大小的漏洞，因为经典算法针对玻色采样存在一个固定的限制。除此之外，光子进行玻色采样可以在室温下工作，不容易受到干扰。

攻克的关卡

根据实际需要，玻色取样逐渐衍生出了各种变体。潘建伟团队此次采用了一种高斯玻色采样变体，它在一些图形问题和量子化学领域有着潜在的应用。高斯玻色采样使用所有处于压缩态的光子，且允许使用更高的抽运功率，使得其同样在事件发生率上具有指数优势。

尽管这是一个为光量子计算机量身定制的挑战，如何将玻色采样的规模放大到一个计算上有意义的区间仍有许多挑战。

论文提到了研究团队需要攻克的五大“关卡”：

首先，它需要单模压缩态同时具备足够高的压缩参数、光子全同性和采集效率；

其次，它需要大型干涉仪同时具备完全连通性、矩阵随机性、近似完美波包重叠和相位稳定，以及近统一传输速率；

第三，它需要对单模压缩态中的所有光子数状态实现相位控制；

第四，它需要高效探测器采集输出分布；

最后，从巨大的输出态空间获得的稀少样本需要被验证，并且表现要与超级计算机形成比较。

为此，潘建伟光量子计算团队已经进行了多年的“打怪升级”。2013年，他们在国际上首创量子点脉冲共振激发，解决了单光子源的确定性和高品质这两个基本问题；2016年， 产生了国际最高效率的全同单光子源，并于2017年初步应用于构建超越早期经典计算能力的针对波色取样问题的光量子计算原型机，其取样速率比国际上当时的实验提高24000多倍。

2019年，中国科大研究组在实验上同时解决了单光子源所存在的混合偏振和激光背景散射这两个最后的难题：成功研制出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源。在此基础上，他们在国际上首次实现了20光子输入60 60模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出态空间维数比国际同行之前的光量子计算实验高百亿倍，逼近量子优越性，完成了临门一脚的预演。

校对：张亮亮

潘建伟及其团队研发了量子计算机技术。

1、科研综述

2022年8月，中国科学技术大学潘建伟及其同事包小辉、张强等，将长寿命冷原子量子存储技术与量子频率转换技术相结合，采用现场光纤在相距直线距离12.5公里的独立量子存储节点间建立纠缠。

2022年，中国科学技术大学潘建伟团队与上海技物所、新疆天文台等单位合作，在国际上首次实现了百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验时间传递稳定度达到飞秒（千万亿分之一秒）量级，可满足目前最高精度光钟的时间传递要求。

2、学术论著

根据2022年7月中国科学技术大学官网显示，潘建伟在《Nature》《Science》《PNAS》和《Physical Review Letters》等重要国际学术期刊上发表论文180余篇，并受国际权威综述期刊《Reviews of Modern Physics》邀请先后撰写关于多光子纠缠实验和现实条件下量子通信安全性的综述论文。

3、成果奖励

根据2022年7月中国科学技术大学官网显示，潘建伟曾获国家自然科学一等奖等奖项。