一文掌握量子业界实时进展

10月18日，在颇有历史背景的浙江嘉兴，举办了一场顶级科学交流大会——《2020量子信息技术学术交流大会》。本次大会由中国电子学会、中国科学技术大学、南方科技大学为主办方，更是受到了嘉兴市委及人民政府、嘉兴市科学技术协会、深圳量子科学与工程研究院等多个单位的承办支持。

大会以“先手棋引领量子信息新时代，正能量孕育科技生态良循环”为主题，正值国家主席宣布全国推动量子科技发展，笔者有幸参与了此次大会的开幕与中间诸多分会。

 
会议分为上午场和下午场。上午场是大会特邀报告，由俞大鹏院士、李天初院士、陆军院士、翁文康教授和张强教授做主题演讲，下午则进行专业分会场的专家报告（由于分会场专业度高，这里不做概括总结，分会场主题见文章末尾处）。

以下为上午场各院士和教授们演讲报告的内容部分梗概：

 

1、《量子科技：机遇与挑战》 俞大鹏院士

  图1｜俞大鹏院士致欢迎词（来源：国盾量子）

 
俞大鹏院士就“量子科技：机遇与挑战”做了详细的解读，提出量子领域火热的根本原因是需求驱动，而量子计算可能会为我们的大规模无序信息，提供一种终极解决方案。

即便是大环境不容乐观的条件下，如美国量子公司的“禁运”政策，对于我国发展量子科技实际上有双向促进作用，这是挑战更是机遇。

俞大鹏院士对业界提出了简明思路是，让专业的人做专业的事情，在工作中追求极致，把科学、技术、工程做成“艺术品”。这也是当前科技竞争背景下，高质发展的大前提。

 

2、《原子钟和原子时》 李天初院士

 
李天初院士的报告内容分为三个部分。

第一部分内容为天文时和机械钟。主要介绍了天文时的应用，是依靠机械钟来进行守时的，当时可达到了三年差一秒的准确率。

第二部分介绍了原子钟和原子时。随着量子物理的发展，原子钟成了量子应用成功的典范，而且还在持续发展中。

追溯到1967年，第十三届国际计量大会给出了时间单位秒的新定义“一秒是133Cs原子基态超精细能级跃迁周期的9192631770倍”。与天文表不同的是，原子表以秒来定义，完全基于物理领域。

在1950年代，原子钟许多相关技术也取得了重大突破，包括微波振荡器、离子阱、填充气体谱线压制技术等，由此诞生了主动钟、离子阱钟、泡式原子钟等。

1985年国际计量局正式开始运行国际原子时，原子时的运行获得了极大的成功，不仅准确，而且可靠，且未曾出现过任何故障。

由此，1912年成立的国际时间局，自1988年起改组，它的业务活动分别由国际地球自转服务和国际计量局承担，这成为量子效应应用非常成功的一个案例。

 
图2 ｜原子钟（来源：usa.watchpro）

 
李天初院士同时为大家科普了现在的世界时间从何而来。简单来说，目前全世界拥有80多个守时实验室，中国占其中的四家，国际计量局根据80多个守时实验室提供的数据进行加权平均得到“自由原子时”。

而经过修正过后的自由原子时成为“国际原子时”，比自由原子时更加准确。但是与之前运用的天文时产生了时差，因为两种时间尺度对秒的定义不一样。

随着时间的推移，需要我们“协调世界时”。当天文时与原子时之间时刻相差超过0.9秒时，就在世界时上加上或减去1秒（正闰秒或负闰秒），以尽量接近天文时，这就是“闰秒”。“闰秒”一般安排在年中或年末的最后时刻，即6月30日或12月31日的最后一分钟。

 
图3｜闰秒（来源：搜狐网）

 
目前，中国计量院用13台氢原子钟和7台铯原子钟向国际计量局报数，已成为对协调世界时贡献最大的几家机构之一。UTC(NIM)和UTC的偏差优于±5ns，处于国际先进水平。

第三部分引入了“光钟”。飞速发展的光钟准确度已经超越了原子钟。光钟有两种研究的定位，第一是基础研究中的物理研究，第二是计量型，首要目的是驾驭国际原子时。《科学》杂志报道的研究成果表明，光钟将比目前最好的时钟精度提高100倍。

 

图4｜光钟（来源：阿仪网）

 
通过李院士的讲解，我们深刻地体会到了量子物理对时钟精度的巨大影响，从应用意义上来看，说人类步入量子应用的时代，有依据可寻。

 

3、《用科学体系工程方法开展量子计算机研制》 陆军院士

陆军院士提出了四个概念：科学、工程、科学工程和科学体系工程。而建立科学体系工程又包括建立理论体系、标准体系、产业体系和产品体系。

谈及量子科技中的量子计算机，其科学体系工程的内涵在于，理论与实践结合；认识世界与改造世界相结合；文件规定的与产品实现的结合来架构的科学体系工程。

为了成体系提升产业体系能力，陆军院士和他的团队需要从QDA、公共基准、工业母机和量子计算机测试系统出发，按照硬件、软件、信息、能力的维度去展开，整体涵盖量子计算机全产业链。

首先，大家要成产业体系的团结起来，为世界拿出中国的量子方案，这是公共基准。定义量子比特之后，要有工业母机，并能够成百上千上亿生产，不能只是在实验室里进行应用。最后才能开始测试系统，是否可以奠定可以重复上万次上亿次，良品率能达到99.999%的一个芯片系统成了关键。

 

4、《专用量子计算机的应用算法》 翁文康教授

 
在不久的将来，我们可以预期学术界和工业界在量子计算机的研发上将有持续的突破。

比如对50个量子比特以上的量子芯片，能够达到非常高精度的调控技术，这种规模是我们过去的工具难以处理的。很有可能对于一些特定的计算任务，这些量子芯片能够执行到一个程度，这个过程，是经典计算机无法有效模拟的。

可是，这些芯片的量子比特个数还是远远不足以实现教科书级的量子算法的。

当前一个重大的问题是，如何开发针对近期量子芯片的应用，去解决一些实际的科学或者工程问题。

翁文康教授和他的团队把量子芯片作为一个附处理器，与经典的计算机配合起来使用，当有需要的时候，就把量子芯片调取出来，而且芯片不只有一个，可能同时并行的会有几种芯片。
 
当然，提到量子计算，就会提到量子算法，其中一个比较受关注的算法是VQE算法。这个算法目前来说受到了广泛的关注，单篇文章的引用已快达到924个，而且上升趋势明显。这个方法展现了未来的一个蓝图，而且有可能会成为第一个实际应用的算法，使得行业发展量子计算应用近在咫尺。

此外，对于一般用户，翁教授预计这些算力强大的专用量子计算机能够通过互联网，提供云服务去访问。

18年翁教授帮助华为搭建了量子云平台，19年时他们把这个框架基本上定了下来，而在今年9月份的时候，他们发布了HiQ 3.0的版本（参见华为发布HiQ 3.0 量子计算模拟器及开发者工具）。其实这三个版本是一环扣一环，互相支撑，主要解决组合优化问题，组合优化问题可能比量子化学在NISQ架构里更容易去实现。

 
图5｜华为HiQ 3.0发布现场（来源：华为）

 
而且翁教授和他的团队马上要建立HiQ optimizer，目前在业界内性能是最好的。

另外对于备受关注的量子霸权领域，翁教授和他的团队也做到了更大地提升，对比之前阿里运行的220秒，他们仅需98秒，把量子霸权的标准提高了不少。

作为量子计算领域有代表性的研究者，翁教授释放出来乐观的信号，可能性甚至提前。

 

5、《光纤分离变量的量子**分发实验进展》 张强教授

 
量子**分发基于量子力学基本原理，结合一次一密的加密方式，可以实现无条件安全通信，因为其重要的现实意义，成为了学术界和工业界的研究热点。

实现全球化量子**分发，目前主要的两个挑战是信道衰减和器件安全性。

首先，张教授从事的是量子通讯领域，加入量子信道，可以做一些经典通讯做不到的事情，或者说利用一些比经典通讯更有效率的方式，其广为人知的就是量子**分发（QKD，参见QKD原理解释）。

这个领域有一个核心的问题在于，是否存在一种方法能够得到一个无条件的且安全的信息传输方案。如果通信双方互相信任，在这个基础上如果能够拥有一串非常长的随机数，并用这个随机数做Key，将其使用一次后就将它丢弃，这种方法证明信息是理论上安全的。信息论如果正确的，这个理论就正确，所以大家把它叫做无条件安全。

另外一种方法是，对于较为核心的机密，大家可能会用对称加密的方法，这种加密方法需要一个种子**，核心之处在于做到种子**的加密。如果你能分享一些种子**，然后再进行加密，这种经典的加密算法也可以很安全。

这两类算法其实都有一个问题就是在于怎样分享**，这其实就是量子通讯来解决的。

量子通讯要实现实用化，需要解决三个问题：第一个是它的安全性，第二个是做得足够远，第三个是如何运用。而这个领域普遍的问题就在于如何把它做得既安全又远，这是张教授和他的团队工作的主要目标。

 
图6｜卫星通信（来源：网络）

 
张教授研究了现实条件下的量子**分发安全性，开展了一系列的测量器件无光量子**分发（MDI-QKD）实验，分别在实验室内，外场条件和网络环境下证等在国际上首次实现了MDI-QKD，并于最近创下新的509公里量子**分发世界纪录。

同时开展光纤和自由空间的时间频率传输研究，实现16公里，70dB自由空间时频传输，为未来基于卫星的量子精密测量奠定基础。也在国际上首次实验实现了两粒子复合系统的量子态隐形传输，局域网环境下的量子态隐形传输，量子比特承诺，量子指纹识别等新型量子通信协议。

以下为下午场各个分会场的报告主题：

会议内容丰富，特殊的背景下，提供了有益的参考。更多的细节以及专业内容，后期会穿插在其他文章里共享。

 

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