講科學家潘建偉的故事，說量子科學的創新發展
日期：2020-12-14 閱讀數：
最近，中國的各大媒體，都在報道中國量子科學的新成果。中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了里程碑式的突破，使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家，其算力全球領先。潘建偉感動中國，潘建偉驚艷世界。潘建偉的名氣怎么這么大？量子科學為什么魅力無窮？下面講科學家潘建偉的故事，說量子科學的創新發展。
（一）
潘建偉的故事相當勵志。潘建偉，1970年3月，出生在浙江省東陽市馬宅鎮雅坑村，先后畢業于馬宅鎮雅坑小學(青聯公社第一名)，吳寧鎮中(全年級第一名)。就是當年這樣一個勤奮好學的他，成為國內外著名的物理學家，成為中科院院士。2013年，他43歲就獲得何梁何利基金“科學與技術成就獎”。“科學與技術成就獎”是何梁何利基金最高獎項，迄今，共有包括兩彈一星元勛錢學森、王淦昌、王大珩、彭桓武、朱光亞，國家最高科學技術獎獲得者葉篤正、黃昆、王忠誠、谷超豪、徐光憲等在內的30位優秀科學家獲此榮譽。2015年，科研成果“多自由度量子隱形傳態”入選英國物理學會新聞網站《物理世界》評選的“2015年度國際物理學領域的.十項重大突破”并名列榜首。2016年，由他作為第一完成人的科研項目“多光子糾纏及干涉度量”獲得了2015年度國家自然科學獎一等獎，該獎項被稱作中國自然科學領域最高獎。潘建偉因45歲的年齡優勢，刷新了2006年支志明49歲獲該獎的年齡記錄。一個多月前，2015年度中國十大科技進展在京揭曉，中科大潘建偉、陸朝陽等完成的“多自由度量子隱形傳態”成果名列中國十大科技進展之首。
2016年8月16日，由我國科學家自主研制的世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發射中心成功發射，它將在世界上首次實現衛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絡。這個項目的首席科學家正是潘建偉。
潘建偉長期從事量子光學、量子信息和量子力學基礎問題檢驗等方面的研究，對量子通信等研究有創新性貢獻，是該領域的國際著名學者，潘建偉有關實現量子隱形傳態的研究成果入選美國《科學》雜志“年度十大科技進展”，并同倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對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21篇經典論文”。其研究成果曾6次入選兩院院士評選的“中國年度十大科技進展新聞”、5次入選歐洲物理學會評選的“年度物理學重大進展”、4次入選美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”。潘建偉的科技成果，為中國的青年科學家樹立了榜樣。
看了中央電視臺“感動中國”節目，我為潘建偉感動并點贊。“感動中國”推選委員劉姝威評價說，在巨大的名利聲望前，堅守學術的真諦，這是學者最難能可貴的。“感動中國”評選委員會給予潘建偉的頒獎詞為：嗅每一片落葉的味道，對世界保持著孩童般的好奇，只是和科學糾纏，保持與名利的距離，站在世界的最前排和宇宙對話，以先賢的名義，做前無古人的事業。
（二）
量子科學是非常時髦的詞匯。那么什么是量子？一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，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“相當數量的某物質”，它最早是由德國物理學家M?普朗克在1900年提出的。他假設黑體輻射中的輻射能量是不連續的，只能取能量基本單位的整數倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實驗現象。
量子信息科學是量子力學與信息學交叉形成的一門邊緣學科。近年來，量子信息學給經典信息科學帶來了新的機遇和挑戰，量子的相干性和糾纏性給計算科學帶來迷人的前景。量子信息科學的誕生和發展，反過來又極大豐富了量子理論本身的內容，深化了量子力學基本原理的內涵，并進一步驗證了量子論的科學性。
量子計算機已成為引發激烈角逐的科技前沿。而且相關競爭有愈演愈烈之勢。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領先水平。2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機。2019年，團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復雜度相當于48個量子比特的希爾伯特態空間，逼近了“量子計算優越性”。
可喜可賀的是，中國量子計算原型機“九章”問世，實現了算力全球領先。據中國科學技術大學2020年12月4日消息，該校潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。根據現有理論，該量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍（“九章”一分鐘完成的任務，超級計算機需要一億年）。等效地其速度比去年谷歌發布的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優越性（國外也稱之為“量子霸權”）。相關論文于12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》。
具體地表述：潘建偉團隊通過自主研制同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優于99.5%、通過率優于98%的100模式干涉線路，相對光程10-9以內的鎖相精度，高效率100通道超導納米線單光子探測器，成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”（命名為“九章”是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》）。
（三）
“九章”對于中國意義非凡，對世界印象深刻。根據目前最優的經典算法，“九章”對于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優越性不依賴于樣本數量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴于樣本數量的漏洞。“九章”輸出量子態空間規模達到了1030（“懸鈴木”輸出量子態空間規模是1016，目前全世界的存儲容量是1022）。該成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定了技術基礎。此外，基于“九章號”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用，將是后續發展的重要方向。
值得特殊介紹的是，潘建偉的研發“九章”的團隊中還有一群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，本科畢業于中國科學技術大學少年班學院。潘建偉不僅自己強，還培養帶動了一個厚積薄發的團隊。
這讓我聯想到習近平總書記在2020年9月11日召開的科學家座談會上的重要講話，習近平總書記提出“四個面向”要求，為我國“十四五”時期以及更長一個時期推動創新驅動發展、加快科技創新步伐指明了方向，激勵著廣大科學家和科技工作者肩負起歷史責任，不斷向科學技術廣度和深度進軍。習近平總書記對今后的科技創新寄予厚望。
實踐告訴我們，科技興則國興，科技強則國強。當前，我國發展面臨的國內外環境發生深刻復雜變化，經濟社會發展和民生改善比過去任何時候都更加需要科學技術解決方案，都更加需要增強創新這個第一動力。在激烈的國際競爭面前，在單邊主義、保護主義上升的大背景下，必須加快解決制約科技創新發展的關鍵問題，特別是要把原始創新能力提升擺在更加突出的位置，努力實現更多“從0到1”的突破，走出一條適合我國國情的科技創新路子。
基礎研究是科技創新的源頭。我國面臨的很多“卡脖子”技術問題，根子是基礎理論研究跟不上，源頭和底層的東西沒有搞清楚。只有持之以恒加強基礎研究，不斷強基固本，才能為科技創新提供源源不竭的動力。向科學技術廣度和深度進軍，必須持之以恒加強基礎研究。一方面，要遵循科學發現自身規律，以探索世界奧秘的好奇心驅動，另一方面要靠重大科技問題帶動，使基礎研究和應用研究相互促進。要明確我國基礎研究領域方向和發展目標，通過各種渠道加大基礎研究投入，對開展基礎研究有成效的科研單位和企業，在財政、金融、稅收等方面給予必要政策支持。要創造有利于基礎研究的良好科研生態，大力弘揚科學家精神，建立健全科學評價體系、激勵機制，讓科研人員潛心搞研究、專心做學問。國家科技創新力的根本源泉在于人。加快科技創新，必須依靠改革激發活力，加強創新人才教育培養。中國的科技創新，任重道遠。
我們需要看到，美國之所以強悍，其中是與美國的科技力量強大分不開的。中國和美國比較，綜合國力的差距還很明顯，美國的創新指數比中國高11位，頂尖科學家是中國的4.3倍。我們要實現“兩個一百年”的宏偉目標，更需要科技創新，重點依靠科技創新，特別是在“十四五”期間，必須加大科技進步的步伐，向科學技術廣度和深度進軍，為加快科技創新、推動高質量發展注入新動能。希望更多的潘建偉感動中國，驚艷世界！
秦寄翔
