當今世界正經歷百年未有之大變局，科技創(chuàng)新是其中的一個關鍵變量。

習近平總書記強調，要充分認識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋。

站在面向“十四五”發(fā)展的重要機遇期，我們應該如何下好量子科技發(fā)展的先手棋呢？本期“大咖有約”邀請到量子光學專家、浙江大學物理學系朱詩堯院士，與我們一起探討量子前沿領域發(fā)展。

能否搶占制高點意味著在下一輪科技革命競爭中能否勝出

量子科技主要是利用量子力學的一些概念來做技術改造，可以說量子力學一誕生就有了技術上的應用。

朱詩堯介紹說，從專業(yè)的角度來看，量子技術是利用量子態(tài)的疊加或糾纏等量子屬性進行信息處理或精密測量的技術，目前的應用領域主要包括量子通信、量子計算和量子精密測量等三個方面。

在這三者中，比較“古老”的應用是量子精密測量。朱詩堯舉了一個我們大家比較熟悉的例子，衛(wèi)星。衛(wèi)星里面的鐘需要非常準確，不然GPS定位偏差就會很大。所謂，差之毫厘謬以千里。那么怎么能做到非常精確呢？這就需要用到量子力學的原理。原子能級具有極高的穩(wěn)定性，在銀河系另一端的氫原子和地球上的氫原子具有相同的躍遷頻率。利用這一性質我們可以制備遠比任何其他鐘都準確的原子鐘，而這些鐘已經被用在了GPS導航中的相對論修正中，保證了導航精度達到米量級。再比如，測量弱磁場這項工作，如果用量子力學的原理來設計的磁場測量儀器就會比經典儀器要準確很多。

從上世紀80年代開始，人們發(fā)現量子操控技術可以被應用到計算領域，在某些問題的處理上可以超越經典計算機，這就產生了量子計算的概念，另外還應用到了秘鑰分發(fā)方面，也就是量子通信。可以說，量子計算和量子通信是最近二三十年來發(fā)展比較快的量子技術。

那么，當前我國量子技術研究處在一個什么樣的位置呢？

朱詩堯說，近二三十年，各國開始大力發(fā)展量子技術，應該說大家都處于同一條起跑線上。“當前我國在量子通信方面是領先世界的，一個標志性的成果是墨子號衛(wèi)星所完成的洲際量子秘鑰分發(fā)。在量子計算的某些方面，我們也達到了世界先進水平，例如前年我們浙大實現了多達20個比特的全局糾纏態(tài)，在比特糾纏數目上打破了世界記錄。”

當今世界正經歷百年未有之大變局，科技創(chuàng)新是其中一個關鍵變量。量子技術對于我們建設科技強國、搶占國際競爭制高點，構筑發(fā)展新優(yōu)勢，具有重要的意義。

在朱詩堯看來，一個國家的發(fā)達程度體現在對最先進技術的掌握上，量子技術由于其巨大的應用前景，吸引了全球主要國家和信息領域大公司的戰(zhàn)略性投入，“我們國家在這一方面不能落后。能否搶占制高點意味著在下一輪科技革命的激烈競爭中我們能否勝出?！?/p>

加強量子計算和量子精密測量的有機結合

量子科技發(fā)展取決于基礎理論研究的突破，然而顛覆性技術的形成是一個厚積薄發(fā)的過程。

浙江大學在量子科技發(fā)展方面早有謀劃。2015年底，物理學系、信電學院和光電學院等幾家單位組建了量子信息交叉中心，在張富春教授帶領下，做了大量工作。2017年，剛剛加盟浙大不久的朱詩堯開始擔任中心的首席科學家。2019年，浙江大學又啟動了量子計算與感知會聚研究計劃。

在量子計算方面，浙大的重點研究方向是在量子計算中做超導量子芯片的設計測量。2019年，團隊的王浩華和宋超等人做了一項研究，開發(fā)出具有 20個超導量子比特的量子芯片，并成功操控其實現全局糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特數目的世界記錄。這一進展發(fā)表在了國際頂級期刊《科學》上。

“現在我們團隊的年輕人正在研制32比特的量子芯片，”朱詩堯說，研制量子芯片是做量子計算的第一步，接下來還要開發(fā)相應的算法和語言，“我們成立了軟件和算法工作實驗室，除了我們團隊外還有計算機學院和數學學院的老師參加，爭取在一兩年之后能做出一個可以供大家做實驗的小型量子計算平臺?！?/p>

量子計算和感知匯聚研究計劃中的“感知”指的是量子精密測量，陀螺等飛行器上的儀器設備都需要用到它。朱詩堯說，他特別想做的一件事就是整合原有的優(yōu)勢，加強量子計算和量子精密測量的結合。

量子計算和量子精密測量的一個結合點就是量子光學。原來量子光學研究集中在原子、分子層面，量子比特可以看成一種人造的可操控的原子，它的可操控性比原子和分子要好得多。有了它之后，以前一些看不到的現象就可以在量子比特上看到，我們希望據此做些有特色的研究。

人無我有，人有我優(yōu)。在各方都積極搶占量子技術制高點的背景下，浙江大學的量子研究有什么樣的獨門絕招呢？

朱詩堯認為，浙江大學量子計算平臺的特色就是比特集成度和可操作度比較高，如果真正應用到量子計算上的話，實用性比較強，“其實，比特數量和可操作度這兩個指標是有點矛盾的，比特數量高了，可操作度就會有一定的下降，所以我們要在這兩個方面進行一定的平衡，目前我們的研究更偏向于可操作度?！?/p>

而浙大的研究優(yōu)勢也很顯著，那就是多學科交叉。計算機學科和數學學科老師的參與，對今后軟件開發(fā)很有裨益；團隊跟光電學院合作，希望能研制出光子芯片，把精密測量的手段用到芯片上去；跟信電學院合作，希望加強對傳統(tǒng)磁場的測量水平；跟材料學院合作，看看有沒有什么材料可以使量子芯片的性能更好；團隊與醫(yī)學院、生科學院也有合作，今后還可能從物理的機理來研究生物現象……

“量子技術確實非常強調學科交叉，而浙江大學的學科門類齊全，為我們的研究提供了很好的氛圍和環(huán)境，”朱詩堯表示，每一個學科，不管是基礎的還是應用的，都必須跟別的學科相互交叉，“我也希望我們團隊的每位成員都有各自擅長的一塊領域，大家在一起交流合作，這樣才能夠做出以前單個人很難完成的工作，才能有新的突破?！?/p>

提高量子比特的壽命，量子計算將大有可為

量子計算是量子技術應用的一個重要領域，近年來，量子計算機的研制成為國際量子領域的一個焦點。那么量子計算機與我們的經典計算機有何不同呢？

朱詩堯介紹說，量子計算機與經典計算機最大的不同就是量子比特。經典計算機的比特就是0和1，就是說在經典計算機里，只有2個狀態(tài)，要么0，要么1。但量子比特還有糾纏和關聯的特點，可以有一部分在0，有一部分在1，而且這個比例是可以人為調控的。糾纏越好、關聯度越大，量子計算機的性能就越好。

在量子科學領域，量子糾纏是非常重要的一個概念。什么是量子糾纏呢？在經典世界中，如果有兩個粒子，每個都是0或1，當我們測量其中一個粒子時，無論測量結果是0還是1，對于另外一個粒子的測量結果是沒有影響的。但是在量子世界中，當有多個粒子的時候，對其中一個粒子的測量結果是會影響到對其他粒子的測量的，也就是說粒子不是相互獨立的，一個粒子的狀態(tài)會影響到另一個粒子的狀態(tài)。

量子計算機就是用量子的邏輯門來做一些運算。不過在朱詩堯看來，目前世界上已有的這些量子計算機還不是真正的“計算機”。

“我們一般人聽到量子計算機，可能會認為它是像現在的經典計算機這樣的能夠全世界通用的、老百姓能實際應用的工具。但其實目前的量子計算機只能說是針對某些特定用途的模擬計算機。在這些特殊領域，量子計算機的運行速度要比經典計算機快很多。嚴格地說，現在中外科學家在研究的是怎樣完成從模擬計算到模擬計算機的跨越，離通用還比較遙遠?！?/p>

那么難點在哪里呢？朱詩堯認為，最關鍵的就是量子比特的壽命，“我們目前在做的超導量子比特，壽命是在0.01毫秒到0.1毫秒之間，非常短，一下子就沒了，只能做1000次操作。我想如果能把量子比特的壽命再提高兩到三個數量級，量子計算就大有可為了，這也是全世界科學家在共同努力的方向。”

當前，國家正在大力推動重大科技任務攻關，我們該如何下好量子科技發(fā)展的先手棋呢？

朱詩堯給出的答案是“沉下來，靜下來，扎下來”。他說，科學研究，沒有長時間的積累是不行的，諾貝爾獎得主當初在做研究的時候是不會考慮以后能不能拿獎的，這就要求我們從事科學研究的老師必須是熱愛科學的，有強烈探知欲望的。

做科研，要熱愛，要投入，這也是朱詩堯四十多年科研工作的真實寫照。他感慨地說，現在回想起來，他真正投入科研工作的時候，年紀已經不小了。朱詩堯1968年大學畢業(yè)后當了十年小學和中學老師，1979年考上研究生開始做科研。他一心想把荒廢掉的時間補回來，所以讀研究生的時候非常用功，一心撲在科研上面?！爱敃r因為我經常跑圖書館，館里的工作人員都跟我成了好朋友，有國外郵寄過來的科學雜志到了，都會第一時間來告訴我?！?/p>

朱詩堯說，現在的科研條件比我們那時候好多了，希望青年科學工作者和以后有志于做量子科學研究的同學們，能夠好好珍惜，踏踏實實、老老實實地把時間和精力花在學習科學、研究科學上，不要今天想做這個，明天想做那個。

“我想以我的自身經歷告訴大家，只要肯下功夫，堅持努力，一定會有成果的?！?/p>

（文 盧軍霞 吳雅蘭 柯溢能/圖 盧紹慶）