講科學家潘建偉的故事，說量子科學的創(chuàng)新發(fā)展
日期：2020-12-14 閱讀數(shù)：
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(tǒng)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(xiàn)了里程碑式的突破，使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)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(chuàng)新發(fā)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(zhèn)雅坑村，先后畢業(yè)于馬宅鎮(zhèn)雅坑小學(青聯(lián)公社第一名)，吳寧鎮(zhèn)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(nèi)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”?！翱茖W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(nèi)的30位優(yōu)秀科學家獲此榮譽。2015年，科研成果“多自由度量子隱形傳態(tài)”入選英國物理學會新聞網(wǎng)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(yōu)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(tài)”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(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，它將在世界上首次實現(xiàn)衛(wèi)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(wǎng)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(chuàng)新性貢獻，是該領域的國際著名學者，潘建偉有關實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)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(fā)現(xiàn)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(jīng)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(jié)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?！案袆又袊痹u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(yè)。
（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(shù)量的某物質(zhì)”，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(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍，從而很好地解釋了黑體輻射的實驗現(xiàn)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(jīng)典信息科學帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，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(fā)展，反過來又極大豐富了量子理論本身的內(nèi)容，深化了量子力學基本原理的內(nèi)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(fā)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(jīng)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(xiàn)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(tài)空間，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。
可喜可賀的是，中國量子計算原型機“九章”問世，實現(xiàn)了算力全球領先。據(jù)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(tǒng)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(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計算系統(tǒng)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(fā)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(yōu)越性（國外也稱之為“量子霸權”）。相關論文于12月4日在線發(fā)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(guī)模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)于98%的100模式干涉線路，相對光程10-9以內(nèi)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(shù)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(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)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(fā)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(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪隆陛敵隽孔討B(tài)空間規(guī)模達到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)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(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)?；孔幽M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(xù)發(fā)展的重要方向。
值得特殊介紹的是，潘建偉的研發(fā)“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(yè)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(yǎng)帶動了一個厚積薄發(fā)的團隊。
這讓我聯(lián)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(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、加快科技創(chuàng)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(chuàng)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(fā)展面臨的國內(nèi)外環(huán)境發(fā)生深刻復雜變化，經(jīng)濟社會發(fā)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(chuàng)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(chuàng)新發(fā)展的關鍵問題，特別是要把原始創(chuàng)新能力提升擺在更加突出的位置，努力實現(xiàn)更多“從0到1”的突破，走出一條適合我國國情的科技創(chuàng)新路子。
基礎研究是科技創(chuàng)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(chuàng)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(fā)現(xiàn)自身規(guī)律，以探索世界奧秘的好奇心驅(qū)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(fā)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(yè)，在財政、金融、稅收等方面給予必要政策支持。要創(chuàng)造有利于基礎研究的良好科研生態(tài)，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(chuàng)新力的根本源泉在于人。加快科技創(chuàng)新，必須依靠改革激發(fā)活力，加強創(chuàng)新人才教育培養(yǎng)。中國的科技創(chuàng)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(chuàng)新指數(shù)比中國高11位，頂尖科學家是中國的4.3倍。我們要實現(xiàn)“兩個一百年”的宏偉目標，更需要科技創(chuàng)新，重點依靠科技創(chuàng)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(chuàng)新、推動高質(zhì)量發(fā)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
