講科學(xué)家潘建偉的故事，說(shuō)量子科學(xué)的創(chuàng )新發(fā)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(xué)的新成果。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)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(shù)研究中心合作，構建了76個(gè)光子的量子計算原型機“九章”，實(shí)現了里程碑式的突破，使我國成為全球第二個(gè)實(shí)現“量子優(yōu)越性”的國家，其算力全球領(lǐng)先。潘建偉感動(dòng)中國，潘建偉驚艷世界。潘建偉的名氣怎么這么大？量子科學(xué)為什么魅力無(wú)窮？下面講科學(xué)家潘建偉的故事，說(shuō)量子科學(xué)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(yáng)市馬宅鎮雅坑村，先后畢業(yè)于馬宅鎮雅坑小學(xué)(青聯(lián)公社第一名)，吳寧鎮中(全年級第一名)。就是當年這樣一個(gè)勤奮好學(xué)的他，成為國內外著(zhù)名的物理學(xué)家，成為中科院院士。2013年，他43歲就獲得何梁何利基金“科學(xué)與技術(shù)成就獎”。“科學(xué)與技術(shù)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(qián)學(xué)森、王淦昌、王大珩、彭桓武、朱光亞，國家最高科學(xué)技術(shù)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(yōu)秀科學(xué)家獲此榮譽(yù)。2015年，科研成果“多自由度量子隱形傳態(tài)”入選英國物理學(xué)會(huì )新聞網(wǎng)站《物理世界》評選的“2015年度國際物理學(xué)領(lǐng)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(xué)獎一等獎，該獎項被稱(chēng)作中國自然科學(xué)領(lǐng)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(gè)多月前，2015年度中國十大科技進(jìn)展在京揭曉，中科大潘建偉、陸朝陽(yáng)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(jìn)展之首。
2016年8月16日，由我國科學(xué)家自主研制的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”在酒泉衛星發(fā)射中心成功發(fā)射，它將在世界上首次實(shí)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(wǎng)絡(luò )。這個(gè)項目的首席科學(xué)家正是潘建偉。
潘建偉長(cháng)期從事量子光學(xué)、量子信息和量子力學(xué)基礎問(wèn)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(lǐng)域的國際著(zhù)名學(xué)者，潘建偉有關(guān)實(shí)現量子隱形傳態(tài)的研究成果入選美國《科學(xué)》雜志“年度十大科技進(jìn)展”，并同倫琴發(fā)現X射線(xiàn)、愛(ài)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(xué)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(jìn)展新聞”、5次入選歐洲物理學(xué)會(huì )評選的“年度物理學(xué)重大進(jìn)展”、4次入選美國物理學(xué)會(huì )評選的“年度物理學(xué)重大事件”。潘建偉的科技成果，為中國的青年科學(xué)家樹(shù)立了榜樣。
看了中央電視臺“感動(dòng)中國”節目，我為潘建偉感動(dòng)并點(diǎn)贊。“感動(dòng)中國”推選委員劉姝威評價(jià)說(shuō)，在巨大的名利聲望前，堅守學(xué)術(shù)的真諦，這是學(xué)者最難能可貴的。“感動(dòng)中國”評選委員會(huì )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(zhù)孩童般的好奇，只是和科學(xué)糾纏，保持與名利的距離，站在世界的最前排和宇宙對話(huà)，以先賢的名義，做前無(wú)古人的事業(yè)。
（二）
量子科學(xué)是非常時(shí)髦的詞匯。那么什么是量子？一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱(chēng)為量子。量子一詞來(lái)自拉丁語(yǔ)quantus，意為“有多少”，代表“相當數量的某物質(zhì)”，它最早是由德國物理學(xué)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(shí)驗現象。
量子信息科學(xué)是量子力學(xué)與信息學(xué)交叉形成的一門(mén)邊緣學(xué)科。近年來(lái)，量子信息學(xué)給經(jīng)典信息科學(xué)帶來(lái)了新的機遇和挑戰，量子的相干性和糾纏性給計算科學(xué)帶來(lái)迷人的前景。量子信息科學(xué)的誕生和發(fā)展，反過(guò)來(lái)又極大豐富了量子理論本身的內容，深化了量子力學(xué)基本原理的內涵，并進(jìn)一步驗證了量子論的科學(xué)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(guān)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(lǐng)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(jìn)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(shí)現了20光子輸入60模式干涉線(xiàn)路的玻色取樣，輸出復雜度相當于48個(gè)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(wèn)世，實(shí)現了算力全球領(lǐng)先。據中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2020年12月4日消息，該校潘建偉、陸朝陽(yáng)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(shù)研究中心合作，構建了76個(gè)光子的量子計算原型機“九章”，實(shí)現了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)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(wàn)億倍（“九章”一分鐘完成的任務(wù)，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(gè)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(gè)里程碑：量子計算優(yōu)越性（國外也稱(chēng)之為“量子霸權”）。相關(guān)論文于12月4日在線(xiàn)發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
具體地表述：潘建偉團隊通過(guò)自主研制同時(shí)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(shí)滿(mǎn)足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過(guò)率優(yōu)于98%的100模式干涉線(xiàn)路，相對光程10-9以?xún)鹊逆i相精度，高效率100通道超導納米線(xiàn)單光子探測器，成功構建了76個(gè)光子100個(gè)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(xué)專(zhuān)著(zhù)《九章算術(shù)》）。
（三）
“九章”對于中國意義非凡，對世界印象深刻。根據目前最優(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(wàn)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(shí)，通過(guò)高斯玻色取樣證明的量子計算優(yōu)越性不依賴(lài)于樣本數量，克服了谷歌53比特隨機線(xiàn)路取樣實(shí)驗中量子優(yōu)越性依賴(lài)于樣本數量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規模達到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)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(lái)實(shí)現可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問(wèn)題的規模化量子模擬機奠定了技術(shù)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(xué)習、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應用，將是后續發(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(yáng)和潘建偉教授，本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院。潘建偉不僅自己強，還培養帶動(dòng)了一個(gè)厚積薄發(fā)的團隊。
這讓我聯(lián)想到習近平總書(shū)記在2020年9月11日召開(kāi)的科學(xué)家座談會(huì )上的重要講話(huà)，習近平總書(shū)記提出“四個(gè)面向”要求，為我國“十四五”時(shí)期以及更長(cháng)一個(gè)時(shí)期推動(dòng)創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展、加快科技創(chuàng )新步伐指明了方向，激勵著(zhù)廣大科學(xué)家和科技工作者肩負起歷史責任，不斷向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍。習近平總書(shū)記對今后的科技創(chuàng )新寄予厚望。
實(shí)踐告訴我們，科技興則國興，科技強則國強。當前，我國發(fā)展面臨的國內外環(huán)境發(fā)生深刻復雜變化，經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展和民生改善比過(guò)去任何時(shí)候都更加需要科學(xué)技術(shù)解決方案，都更加需要增強創(chuàng )新這個(gè)第一動(dòng)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(guān)鍵問(wèn)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(shí)現更多“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(shù)問(wèn)題，根子是基礎理論研究跟不上，源頭和底層的東西沒(méi)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(dòng)力。向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍，必須持之以恒加強基礎研究。一方面，要遵循科學(xué)發(fā)現自身規律，以探索世界奧秘的好奇心驅動(dòng)，另一方面要靠重大科技問(wèn)題帶動(dòng)，使基礎研究和應用研究相互促進(jìn)。要明確我國基礎研究領(lǐng)域方向和發(fā)展目標，通過(guò)各種渠道加大基礎研究投入，對開(kāi)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(xué)家精神，建立健全科學(xué)評價(jià)體系、激勵機制，讓科研人員潛心搞研究、專(zhuān)心做學(xué)問(wèn)。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。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(kāi)的。中國和美國比較，綜合國力的差距還很明顯，美國的創(chuàng )新指數比中國高11位，頂尖科學(xué)家是中國的4.3倍。我們要實(shí)現“兩個(gè)一百年”的宏偉目標，更需要科技創(chuàng )新，重點(diǎn)依靠科技創(chuàng )新，特別是在“十四五”期間，必須加大科技進(jìn)步的步伐，向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍，為加快科技創(chuàng )新、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展注入新動(dòng)能。希望更多的潘建偉感動(dòng)中國，驚艷世界！
秦寄翔
