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段路明院士:中國(guó)量子信息如何從0到1到無(wú)窮| 錨點(diǎn)

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設(shè)置星標(biāo)★關(guān)注,從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

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INTERVIEW

如今,中國(guó)在量子信息領(lǐng)域的多個(gè)方面都領(lǐng)跑世界,如星地量子通信和光學(xué)量子計(jì)算。但回望三十年前,我們國(guó)內(nèi)的量子研究幾乎是一片空白。

中國(guó)最早引起國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)注的量子信息成果來(lái)自我在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的老師郭光燦和他的學(xué)生段路明。二人于1997年提出段-郭量子避錯(cuò)碼,不久后又貢獻(xiàn)了量子概率克隆段-郭界限。后來(lái),段路明又在量子通信和量子計(jì)算領(lǐng)域作出許多重要貢獻(xiàn)。

2018年,段路明從密歇根大學(xué)回到清華大學(xué)交叉信息研究院工作。2023年,他當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士。2024年,他和團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)高達(dá)300個(gè)離子量子比特規(guī)模的量子模擬計(jì)算。同年,段路明獲得由量子通信、測(cè)量與計(jì)算國(guó)際大會(huì)(ICQCMC)頒發(fā)的國(guó)際量子獎(jiǎng)。

若要了解中國(guó)在量子領(lǐng)域怎樣實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破,段路明院士就是最佳采訪對(duì)象。

段路明

中國(guó)科學(xué)院院士


Q:很多人都聽說(shuō)過(guò)量子,但實(shí)際上很少有人能真正了解這一概念。請(qǐng)問(wèn)您平時(shí)是怎樣向公眾介紹量子領(lǐng)域的?

A:

直覺(jué)上,量子確實(shí)距離我們很遠(yuǎn)。可以這么說(shuō),世界由無(wú)數(shù)極其微小的粒子構(gòu)成,它們通常被稱為“微觀粒子”,而量子科學(xué)則是一門關(guān)于微觀粒子的基本特性的科學(xué)。微觀粒子包括光子、原子、電子等,與我們?nèi)粘K姷牧W犹匦藻漠悺K司邆淞W有再|(zhì),還呈現(xiàn)波動(dòng)性。

關(guān)于波動(dòng)性,我舉個(gè)例子。如果往池塘里扔兩個(gè)石頭,形成的兩個(gè)波會(huì)相互干涉——我們稱其為“相干性”。因?yàn)槲⒂^粒子有量子相干性,所以多個(gè)微觀粒子之間存在一種很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)形式。這種關(guān)聯(lián)被稱作“量子糾纏”,在經(jīng)典世界里見不到。

過(guò)去幾十年間,人們發(fā)現(xiàn)量子糾纏在信息處理方面蘊(yùn)藏巨大潛力。如果用微觀粒子編碼信息、開展計(jì)算,我們能實(shí)現(xiàn)超快速的計(jì)算并以此解決許多重大問(wèn)題。這就是量子計(jì)算。如果用量子編碼信息、傳輸信息,我們可以建立一種安全的信息傳輸方式。這就是量子密碼通信。以量子為載體,還可實(shí)現(xiàn)某些高精度的測(cè)量,即量子精密測(cè)量。

量子計(jì)算、量子通信和量子測(cè)量是當(dāng)前量子科學(xué)研究的三大主要方向。當(dāng)然,我們現(xiàn)在的量子研究相較早期而言有差別。早期工作旨在理解量子特性;現(xiàn)階段的量子信息科技研究則重點(diǎn)關(guān)注“如何通過(guò)量子的特性來(lái)操控量子”。

Q:很多人說(shuō)量子信息就是“第二次量子革命”。

A:

兩次量子革命最核心的區(qū)別在于對(duì)量子糾纏的理解和操控。大家都在講量子糾纏很難操控,但我們似乎不會(huì)深入談?wù)摗傲孔蛹m纏為什么難操控”。最根本的原因?qū)嶋H上是——量子糾纏太容易產(chǎn)生了。

Q:此話怎講?該怎樣去理解“很難操控是因?yàn)闃O易產(chǎn)生”?

A:

任何一個(gè)粒子,只要與外界相互作用,都會(huì)產(chǎn)生糾纏。可以說(shuō),糾纏是無(wú)時(shí)無(wú)處不在產(chǎn)生的。自然產(chǎn)生的糾纏都是不可控的,我們稱不可控的糾纏為“噪聲”,而我們一般談?wù)摰摹傲孔蛹m纏”是可控的糾纏。量子糾纏與噪聲本質(zhì)上是同一個(gè)東西,或者說(shuō),是一體的兩面,就像硬幣正反面。科學(xué)和工程所需的不是噪聲,而是可預(yù)測(cè)、可測(cè)量、可利用的可控糾纏——這要求極為嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

Q:許多年前,我讀研時(shí)就聽說(shuō)過(guò)您的大名。那時(shí)在郭光燦老師的量子光學(xué)課上,他提到了您與他一起做的“段-郭量子避錯(cuò)碼”以及“量子概率克隆段-郭界限”。可否具體解釋一下這兩個(gè)概念呢?

A:

1994年到1998年間,我正在讀研究生。那時(shí)候的量子信息、量子計(jì)算這類領(lǐng)域還“默默無(wú)聞”。郭老師和我都是做量子光學(xué)出身的,比較關(guān)注諸如“光的相干性”之類的概念。我們最早切入的一個(gè)方向是“相干性的損失”——這也是當(dāng)時(shí)大家為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算而要解決的最大困難。

該怎樣保持光的相干性呢?我們研究出一種方法,通過(guò)特定的編碼實(shí)現(xiàn)了較高水平的相干性保持。我們將這種編碼稱為“相干保持態(tài)編碼”,后來(lái)又管它叫“量子避錯(cuò)編碼”。這在當(dāng)時(shí)成為(包括現(xiàn)在仍是)一種比較有影響力的克服量子系統(tǒng)錯(cuò)誤的方式。

量子概率克隆與量子密碼通信有一定關(guān)聯(lián)。量子密碼通信為什么安全?主要原因在于一個(gè)最基本的定理,即量子態(tài)不可克隆。此概念在1980年代就為人所知。到了1990年代,大家主要研究如何跳出量子不可克隆定理的約束。當(dāng)時(shí)國(guó)際上的研究大多退而求其次:既然做不到完美的克隆,那就做盡可能近似的克隆吧。但我們還是想做到完美克隆。

此類嘗試不可能每次都成功,但成功時(shí)所獲得的結(jié)果堪稱完美。我們由此也能得出那個(gè)實(shí)現(xiàn)完美克隆的最高成功概率——這就是段-郭界限。

Q:我此前讀過(guò)《量子計(jì)算和量子信息》。似乎這本著名教材所引用的唯二來(lái)自中國(guó)科學(xué)家的成果,就是段-郭量子避錯(cuò)碼和段-郭界限。是這樣嗎?

A:

是的。早期我國(guó)的科研影響力不如現(xiàn)在,在國(guó)際上有影響的成果就是這兩個(gè)。

Q:您后來(lái)還做出一項(xiàng)重要成果,叫作“DLCZ量子中繼方案”。可否介紹一下這個(gè)方案的詳情?

A:

實(shí)現(xiàn)量子通信(包括量子互聯(lián)網(wǎng))的最大困難來(lái)自距離。

光要通過(guò)光纖傳輸,光信號(hào)經(jīng)過(guò)十幾公里光纖的傳播會(huì)衰減得很快。實(shí)際上經(jīng)典通信中也存在距離問(wèn)題,但它能相對(duì)輕松地克服障礙,因?yàn)榻?jīng)典信號(hào)可以放大。量子通信則面臨一個(gè)根本性的困難,即量子信號(hào)永遠(yuǎn)是一個(gè)單光子的信號(hào),不可克隆、不可放大。這使得量子通信具有保密性的優(yōu)點(diǎn),但難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信。

為達(dá)成目標(biāo),我們要借助量子中繼(通過(guò)糾纏和量子態(tài)傳輸實(shí)現(xiàn)量子通信距離的擴(kuò)展),這樣通信問(wèn)題就變成了糾纏產(chǎn)生的問(wèn)題。原則上,只要有長(zhǎng)距離的糾纏,就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的通信。但實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子糾纏是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

我將整個(gè)過(guò)程分成多段,每段長(zhǎng)十幾公里,且都實(shí)現(xiàn)量子糾纏,放在一個(gè)量子存儲(chǔ)器中,然后連接起每段量子糾纏,就得到了一個(gè)完整的長(zhǎng)距離量子糾纏。接著,我們?cè)僮C明這種方式不會(huì)有指數(shù)衰減,只需付出相對(duì)小的代價(jià)——線性衰減或多項(xiàng)式衰減。

我們的解決方案出來(lái)后,引起國(guó)際上很多研究團(tuán)隊(duì)的興趣,他們大都在做相關(guān)工作。目前我國(guó)科學(xué)界在量子通信領(lǐng)域的最主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)量子中繼。實(shí)際上,無(wú)論是美國(guó)還是中國(guó),都將實(shí)現(xiàn)量子中繼視作最重要且最困難的目標(biāo)。

Q:您提出的這套DLCZ方案是全球首個(gè)量子中繼方案嗎?

A:

可以認(rèn)為這是第一個(gè)完整的方案。量子中繼的概念很早就已被提出,但早期方案距離真正的實(shí)驗(yàn)工作相去甚遠(yuǎn)。

我們?cè)?001年提出DLCZ方案后,大家才看到了付諸實(shí)驗(yàn)的可行性。2003年,來(lái)自加州理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組各自獨(dú)立開展了量子中繼的第一步實(shí)驗(yàn),且都在《自然》(Nature)雜志上發(fā)表了文章。

Q:您覺(jué)得量子中繼什么時(shí)候能進(jìn)入現(xiàn)實(shí)應(yīng)用階段?

A:

過(guò)去二十年間,關(guān)于量子中繼的諸多核心概念、難點(diǎn)都在實(shí)驗(yàn)室里得到了一些演示、證實(shí)。現(xiàn)在最主要的任務(wù)是整合各部分。

量子中繼的早期工作相當(dāng)于“打地基”,是不為外人所見的部分,能看見的只是量子中繼依然比不上直接通信。但我們知道,只要打好了地基,只要把第一個(gè)糾纏連接做好,余下的內(nèi)容水到渠成。我認(rèn)為,量子中繼在未來(lái)五到十年間會(huì)出現(xiàn)比較重大的突破。

Q:您還提出過(guò)所謂“基于二維陣列和光子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的規(guī)模化量子計(jì)算方案”。可以對(duì)這塊內(nèi)容做一下介紹嗎?

A:

離子量子計(jì)算一直是量子計(jì)算中最具影響力的方案之一。其中最困難的部分是如何將系統(tǒng)做大。針對(duì)這部分難點(diǎn),2004年,我們提出通過(guò)光量子互聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)量子系統(tǒng)的規(guī)模化。2014年左右,我們又提出了二維陣列的理論方案。不過(guò)同行們覺(jué)得這些方案很難做,后來(lái)我們就在清華大學(xué)組建團(tuán)隊(duì),自己開展實(shí)驗(yàn)。

2024年,我們?nèi)〉弥卮笸黄疲⒂凇蹲匀弧冯s志發(fā)表論文介紹了最新成果,這也是目前國(guó)際上最大規(guī)模的量子模擬系統(tǒng)。

Q:所以你們真正的突破是從一維到二維,可以這樣認(rèn)為嗎?

A:

可以這么說(shuō)。在此之前,最大的量子模擬系統(tǒng)也仍局限于一維,且只有五十多個(gè)量子比特。大家都在一維上做文章,像我們這樣大規(guī)模的量子模擬系統(tǒng)之前從未在二維上實(shí)現(xiàn)。

Q:為什么這類系統(tǒng)普遍都是一維的?為什么不做高維體系?如果達(dá)到二維甚至三維,系統(tǒng)擁有的量子比特?cái)?shù)目不就大大增加了嗎?

A:

這實(shí)際上與離子阱的特殊性質(zhì)有關(guān)。離子阱的基本原理是通過(guò)電磁場(chǎng)將離子囚禁,這個(gè)過(guò)程借助了“Paul阱”這一特殊設(shè)計(jì)。Paul阱是一種主流的離子阱類型,但它有特殊之處:通常離子在其中只能排成一列;一旦把它變成二維或三維體系,離子就會(huì)出現(xiàn)某些很奇怪的運(yùn)動(dòng),即所謂“微運(yùn)動(dòng)”。

過(guò)去專家總覺(jué)得微運(yùn)動(dòng)不可控制,是一種很大的噪聲,因此無(wú)法進(jìn)行量子計(jì)算。是我們最先從理論上證明:在如此噪聲情況下,仍能做到高保真的量子計(jì)算。這是理論上的一個(gè)突破。

在實(shí)驗(yàn)中,一維體系易于穩(wěn)定,二維體系很難穩(wěn)定。因此我們制定了一些可提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)方法,包括采用特定的低溫離子阱。可以說(shuō),將低溫阱與如此大規(guī)模的離子囚禁相結(jié)合的工作,是由我們首創(chuàng)的。目前我們實(shí)驗(yàn)室能做到一千多個(gè)離子的穩(wěn)定囚禁。

鑒于上述種種,我們的量子系統(tǒng)規(guī)模相較傳統(tǒng)提升巨大。這套方案的影響力也很大,如今國(guó)際上很多團(tuán)隊(duì)都照此開展工作。

Q:我發(fā)現(xiàn)您是學(xué)界罕見的在量子信息理論和實(shí)驗(yàn)兩方面都有杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。請(qǐng)問(wèn)您是怎樣做到這一切的?

A:

在回清華大學(xué)以前,我是美國(guó)密歇根大學(xué)的費(fèi)米講席教授。費(fèi)米是一位非常偉大的物理學(xué)家,一位難得的既精通理論又擅長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)的全才。我曾擔(dān)任以他命名的教職,當(dāng)然要向他學(xué)習(xí)。(對(duì)話雙方笑聲爽朗)

實(shí)際上,從奧地利因斯布魯克大學(xué)的訪問(wèn)之旅開始,我就一直很關(guān)注理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。我們做的大量工作都屬于“理論派”,但這些理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合得非常緊密。我們也會(huì)非常頻繁地與“實(shí)驗(yàn)派”討論。

所以,我們理解實(shí)驗(yàn),也能發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題究竟出在哪兒,還能結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況與理論思想,并通過(guò)這樣的結(jié)合獲得某些突破性的想法。理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合點(diǎn)往往就是創(chuàng)新點(diǎn),也是我們作為導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的著力點(diǎn)。導(dǎo)師有能力針對(duì)實(shí)驗(yàn)瓶頸發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在、指出探索方向,學(xué)生團(tuán)隊(duì)就能更有信心地不斷向前摸索,實(shí)驗(yàn)技術(shù)也會(huì)逐漸積累成熟。最終,我們可以收獲實(shí)驗(yàn)上的突破。

Q:這讓我想起任正非曾說(shuō)過(guò)的一句話,大意就是要讓聽得到炮火聲的人決策。

A:

物理終究是一門實(shí)驗(yàn)的科學(xué)。若想將理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合,一方面,理論要給得出“素材”,另一方面,研究者必須接近實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),了解實(shí)驗(yàn)室最關(guān)心的問(wèn)題是什么。

Q:量子計(jì)算可通過(guò)多種物理體系來(lái)實(shí)現(xiàn),比如超導(dǎo)、光學(xué)、冷原子、離子阱、核磁共振等。我國(guó)在超導(dǎo)和光學(xué)方面都取得了很知名的成果。關(guān)于量子計(jì)算的技術(shù)路線,每一派都說(shuō)自己的路線是最佳路線。中科大的陸朝陽(yáng)教授提過(guò)一個(gè)很有趣的觀點(diǎn):量子計(jì)算機(jī)的各個(gè)學(xué)派很可能不會(huì)如經(jīng)典計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的前輩那般,最后都收斂至一個(gè)物理體系;結(jié)局或許是不同物理體系各自適應(yīng)不同問(wèn)題,行業(yè)呈現(xiàn)百花齊放的局面。

A:

這是很可能出現(xiàn)的情況。舉例來(lái)說(shuō),量子互聯(lián)網(wǎng)研究的核心目標(biāo)之一是將不同的量子計(jì)算機(jī)和量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連在一起,讓它們發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法就包括前面介紹的光互聯(lián)。

常被我們用于量子計(jì)算的比特(如超導(dǎo)比特),可與光子比特(或者說(shuō)“飛行比特”)相連。以光子為媒介,各種不同的物理體系都有望實(shí)現(xiàn)連接,比如我們現(xiàn)在所連接的離子和原子體系。我們下一步的計(jì)劃是嘗試把離子和金剛石,包括超導(dǎo)體系,連接在一起。

Q:請(qǐng)問(wèn)您為什么選擇離子阱?它相比其他技術(shù)路線有何優(yōu)劣勢(shì)?

A:

放眼全球,離子量子計(jì)算的方案一直有著廣泛影響力。但在這方面,過(guò)去國(guó)內(nèi)的工作相較國(guó)外的優(yōu)秀成果,是存在較大差距的。不過(guò)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,我們不再是跟跑者了,尤其是二維離子阱體系的實(shí)現(xiàn),讓我們?cè)谝?guī)模這一指標(biāo)上遠(yuǎn)超美國(guó)團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)。從不同指標(biāo)上看,可以說(shuō)大家各有千秋。

Q:在離子阱這個(gè)方向,哪些指標(biāo)我們與國(guó)外存在差距?

A:

最核心的指標(biāo)就兩個(gè):一是規(guī)模,即比特?cái)?shù)量;二是邏輯門的保真度。

規(guī)模上,我們已經(jīng)較大幅度地領(lǐng)先國(guó)外了。在保真度方面,目前是美國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)占鰲頭,做出了高達(dá)99.9%的保真度。這個(gè)數(shù)值放到所有技術(shù)體系里去對(duì)比都為最高。

Q:它比超導(dǎo)體系的還高!怪不得人們樂(lè)于做離子阱體系,因?yàn)樗诒U娑确矫嬗袃?yōu)勢(shì)。關(guān)于下一步的研究工作,您有何打算?

A:

下一步工作中,我們認(rèn)為最重要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的量子計(jì)算。在我看來(lái),這也是整個(gè)領(lǐng)域里最為核心的目標(biāo)。

怎樣實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的量子計(jì)算?首先,我們需要繼續(xù)提高體系內(nèi)的量子比特?cái)?shù)。現(xiàn)階段,我們可以實(shí)現(xiàn)幾百、上千個(gè)量子比特的規(guī)模,但這相較終極目標(biāo)仍有很大差距。無(wú)論采用何種體系,我們都要達(dá)到百萬(wàn)量子比特以上——這相當(dāng)于一臺(tái)通用的量子計(jì)算機(jī)。我們期待,這個(gè)足夠大的系統(tǒng)能服務(wù)科研和工業(yè)應(yīng)用,成為一款基本工具。

另一方面,我們希望中國(guó)能在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得更多突破,做出更多尖端、核心的技術(shù),避免遭遇過(guò)往經(jīng)典計(jì)算那樣被“卡脖子”的困境。

量子計(jì)算無(wú)疑是顛覆性的技術(shù),不過(guò)它距離成熟和大規(guī)模應(yīng)用還比較遙遠(yuǎn)。我們要有耐心。

Q:這讓我想起了比爾·蓋茨的名言:我們經(jīng)常高估了今后一、兩年內(nèi)將發(fā)生的變革,但又常常低估了今后10年內(nèi)將要發(fā)生的變化。

A:

長(zhǎng)期來(lái)講,一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)終將帶來(lái)變革。以人工智能(AI)為例:AI技術(shù)經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展,但公眾可能不太關(guān)注前期的漫長(zhǎng)積累;而當(dāng)AI的拐點(diǎn)真正到來(lái)時(shí),迅速發(fā)生的技術(shù)變革影響了整個(gè)人類社會(huì)。

我們希望量子計(jì)算機(jī)的那個(gè)拐點(diǎn)盡快到來(lái)。

Q:如果量子信息實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,它能給世界帶來(lái)怎樣的變化?

A:

我們身處信息社會(huì)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)是很聰明的信息處理工具;人類的大腦同樣也是很聰明的信息處理工具;現(xiàn)在和未來(lái)的AI,是越來(lái)越聰明的信息處理工具。

從原理上講,量子計(jì)算堪稱最聰明的信息處理方法。可以用數(shù)學(xué)證明,沒(méi)有其他計(jì)算工具比量子圖靈機(jī)更強(qiáng)大。

在未來(lái)發(fā)展的過(guò)程中,我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的更多新應(yīng)用,就像前人在經(jīng)典計(jì)算機(jī)浪潮中所經(jīng)歷的那樣:當(dāng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)仍處于早期階段時(shí),大眾沒(méi)能預(yù)料到它日后將帶來(lái)如此廣泛的應(yīng)用。對(duì)于2020年代的我們而言,手機(jī)已經(jīng)很普遍了,但是如果回到一百年前,要?jiǎng)?chuàng)造這樣復(fù)雜的機(jī)器,幾乎是不可能的事情。

現(xiàn)階段,我們認(rèn)為首先得把量子計(jì)算機(jī)這種“魔法機(jī)器”造出來(lái)。如果成功,未來(lái)它會(huì)有廣泛應(yīng)用的空間。

Q:您認(rèn)為量子信息領(lǐng)域亟待攻克的核心問(wèn)題是什么,或者說(shuō),它的下一個(gè)錨點(diǎn)在何處?

A:

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的規(guī)模化。

袁嵐峰

《錨點(diǎn)》科學(xué)對(duì)談人


-本文刊載于《世界科學(xué)》雜志2026年第1期“錨點(diǎn)”專欄,該專欄由《世界科學(xué)》編輯部和東方衛(wèi)視《錨點(diǎn)》節(jié)目組聯(lián)合開發(fā);《錨點(diǎn)》系列節(jié)目由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副主任袁嵐峰研究員主持-


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