不久前，在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的一間實(shí)驗(yàn)室中，誕生了中國(guó)最新一代的光量子計(jì)算機(jī)——九章四號(hào)。在這樣一臺(tái)光量子計(jì)算機(jī)面前，在特定問(wèn)題上傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度已經(jīng)被遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在了身后。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、知名量子計(jì)算專(zhuān)家，陸朝陽(yáng)是該項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)的核心領(lǐng)軍人物之一。
量子計(jì)算潛在的巨大威力，很多年前，量子技術(shù)的發(fā)展就已經(jīng)成為國(guó)家間的戰(zhàn)略博弈。誰(shuí)在量子計(jì)算上領(lǐng)先一步，誰(shuí)就可能在未來(lái)幾十年的全球競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)。
陸朝陽(yáng)：最早量子計(jì)算這個(gè)概念是費(fèi)曼提出來(lái)的，他在1981年就提出這個(gè)概念，他說(shuō)量子計(jì)算機(jī)可以做得比經(jīng)典計(jì)算機(jī)更快，但是一直是處于這種概念、一個(gè)空想。我們想要攻克的目標(biāo)，就是在他提出這個(gè)概念四十年之后，我們終于可以造出一個(gè)實(shí)實(shí)在在的工程樣機(jī)，我可以擺在桌面上，你給它一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，它比經(jīng)典計(jì)算機(jī)算得快。
2014年，美國(guó)谷歌公司投入十億美元，集中數(shù)百名的科學(xué)家，宣布將用五年時(shí)間制造出世界上首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。當(dāng)時(shí)，31歲的陸朝陽(yáng)帶領(lǐng)著一個(gè)十幾人的團(tuán)隊(duì)，也在朝著同樣的目標(biāo)行進(jìn)。
陸朝陽(yáng)：我們的經(jīng)費(fèi)大概是幾千萬(wàn)元人民幣，團(tuán)隊(duì)就是十個(gè)人左右，我們的研究生，95后為主。
記者：這么少的人，這么點(diǎn)錢(qián)，你能做什么事？
陸朝陽(yáng)：我們路線(xiàn)跟它選的不一樣，我們當(dāng)時(shí)第一個(gè)路線(xiàn)不是用的超導(dǎo)量子比特，我們用的是光子，在這個(gè)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很強(qiáng)的積累了。
光子技術(shù)路線(xiàn)的選擇，開(kāi)始于中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉，他在2000年代初從歐洲回國(guó)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始深耕光子糾纏技術(shù)。2000年考入中科大物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的陸朝陽(yáng)，則在大三的時(shí)候，決定了自己未來(lái)的專(zhuān)業(yè)方向。
記者：為什么當(dāng)時(shí)選擇的是量子物理？
陸朝陽(yáng)：因?yàn)榱孔訚M(mǎn)足了我對(duì)科學(xué)研究所有的幻想。一方面，量子力學(xué)在過(guò)去一百年里面已經(jīng)催生了包括半導(dǎo)體、晶體管、激光在內(nèi)這樣一些發(fā)明。它相關(guān)催生的產(chǎn)值占全球GDP的至少三分之一；另外一方面，它又很前沿，有很多開(kāi)放的疑問(wèn)。我覺(jué)得量子很好地融合了頂天和立地這兩個(gè)夢(mèng)想，當(dāng)時(shí)對(duì)我來(lái)說(shuō)特別合適。
保送研究生之后，導(dǎo)師潘建偉布置給了陸朝陽(yáng)一項(xiàng)高難度任務(wù)——把實(shí)驗(yàn)平臺(tái)升級(jí)到具備操縱六光子糾纏的能力。在此之前，五光子糾纏是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在2004年首次實(shí)現(xiàn)的。
記者：從五個(gè)光子到六個(gè)光子，到底這是一個(gè)什么性質(zhì)的變化？
陸朝陽(yáng)：五個(gè)光子的時(shí)候，相當(dāng)于是二的五次方，等于三十二這么一個(gè)空間，到六個(gè)光子就變成六十四了，直接就翻倍了。
今天，九章四號(hào)實(shí)現(xiàn)了3050個(gè)光子的控制，但20年前，量子技術(shù)仍處于從0到1的探索階段，從五個(gè)光子到六個(gè)光子的進(jìn)步，是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
記者：看到它、捕捉到它，有多難這件事？
陸朝陽(yáng)：一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程是非常困難的。因?yàn)榈谝唬悴恢浪谑裁吹胤疆a(chǎn)生，我們只有一個(gè)通過(guò)理論計(jì)算的大致方位判定。這個(gè)時(shí)候同時(shí)你還要探測(cè)兩個(gè)，所以?xún)蓚€(gè)探測(cè)器都在一個(gè)未知的角度，就像在黑暗中摸索，直到找到了那條正確的信號(hào)，給我們正反饋之后，我才能得到最后我們想要的結(jié)果。
通過(guò)近兩年的努力，陸朝陽(yáng)和團(tuán)隊(duì)成功制備了六光子糾纏態(tài)，而且在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中巧妙地實(shí)現(xiàn)了可用于量子計(jì)算的簇態(tài)。這項(xiàng)工作發(fā)表在2007年2月的《自然·物理學(xué)》上，入選兩院院士評(píng)選的2007年中國(guó)科技十大進(jìn)展新聞。
2008年，陸朝陽(yáng)進(jìn)入劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室攻讀博士，其間，他在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單電子狀態(tài)的光學(xué)測(cè)量，為量子計(jì)算解決了一個(gè)基礎(chǔ)性難題，成果發(fā)表在《自然》雜志上。2011年初，他收到了劍橋大學(xué)丘吉爾學(xué)院的青年研究員教職邀請(qǐng)，但卻在博士論文答辯完成一周之后，隨即回國(guó)，成為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)最年輕的正教授。
記者：為什么你不在一個(gè)深厚的研究水平的地方繼續(xù)研究，而是要回到這來(lái)從零、什么都沒(méi)有的這么一個(gè)地方，你為什么做這個(gè)選擇？
陸朝陽(yáng)：如果我待在英國(guó)，可能在最早的五到十年可能會(huì)更加順利，會(huì)更加容易去做這個(gè)事情，就跟你剛剛說(shuō)的，他們有更好的條件，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)會(huì)有天花板。
記者：長(zhǎng)遠(yuǎn)的天花板是什么？
陸朝陽(yáng)：因?yàn)槠鋵?shí)做科研，站在我們科學(xué)家背后的，其實(shí)是整個(gè)國(guó)家的力量。在這一塊，因?yàn)榱孔有畔⒓夹g(shù)跟國(guó)家的信息安全、跟算力是緊密相關(guān)的，所以中國(guó)必須發(fā)展這個(gè)技術(shù)，之后我們整個(gè)發(fā)展的前景和能夠做到的事情會(huì)越來(lái)越多，會(huì)越來(lái)越大，會(huì)越來(lái)越好。從我小時(shí)候到我讀中學(xué)、到大學(xué)、到出國(guó)，我看到了我們整個(gè)國(guó)家的發(fā)展是非常蓬勃、非常積極向上的，這個(gè)給了我很大信心。同時(shí)我2008年到英國(guó)的時(shí)候，正好當(dāng)時(shí)我們北京奧運(yùn)會(huì)（舉辦）了，所以作為留學(xué)生，當(dāng)時(shí)在國(guó)外看奧運(yùn)會(huì)，我們的心情比在國(guó)內(nèi)很多同學(xué)要激動(dòng)得多，我們都特別為國(guó)家感到驕傲。
回國(guó)后，陸朝陽(yáng)和同事們搭建了半導(dǎo)體量子光源實(shí)驗(yàn)室，2012年做出國(guó)際最高品質(zhì)的單光子源，首次在國(guó)際上解決這一領(lǐng)域重要的兩個(gè)參數(shù)，為中國(guó)量子計(jì)算在做最基礎(chǔ)的準(zhǔn)備。2015年，陸朝陽(yáng)和同事們又實(shí)現(xiàn)另一項(xiàng)重要突破——“多自由度量子隱形傳態(tài)”，這是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的又一塊基石。此時(shí)，谷歌公司的五年計(jì)劃正在穩(wěn)步進(jìn)行中。
記者：你是80后，你的學(xué)生是90后甚至00后，哪來(lái)的這種緊迫感還有動(dòng)力？因?yàn)楹屠弦惠叺某砷L(zhǎng)年代完全不一樣。
陸朝陽(yáng)：我們這一代人因?yàn)榈靡嬗趪?guó)家的發(fā)展，所以我們更多的是平視世界，我們會(huì)覺(jué)得去超越歐美的很多科學(xué)目標(biāo)、科學(xué)的發(fā)展水平，是一件特別自然的事情，就是我們自己本身應(yīng)該有的使命，到我們這一代之后，就是應(yīng)該去超越他們。
2019年12月，谷歌宣布了他們?cè)诹孔佑?jì)算方面取得的成果：五十三個(gè)量子比特的系統(tǒng)可以在兩百秒內(nèi)解決當(dāng)時(shí)世界最快超級(jí)計(jì)算機(jī)需要1萬(wàn)年才能完成的計(jì)算問(wèn)題。
陸朝陽(yáng)：那個(gè)時(shí)候壓力很大，熬夜到兩三點(diǎn)是很平常的事情，甚至我們?cè)诓蓴?shù)據(jù)的時(shí)候，我們團(tuán)隊(duì)整整有三十個(gè)小時(shí)都沒(méi)有休息。因?yàn)槲覀冏畛醯倪@個(gè)裝置，要把它調(diào)試好，參量變量特別多，那段時(shí)間我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)大家的心都是繃著的，其他事情都提不起我們的興趣。
谷歌宣布成功一年后的2020年12月，中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)正式推出并在《科學(xué)》期刊發(fā)表了“九章”光量子計(jì)算機(jī)，其在計(jì)算速度、功耗、性?xún)r(jià)比等方面超過(guò)了谷歌之前的結(jié)果。
記者：為什么要用霸權(quán)這個(gè)詞來(lái)形容科學(xué)的發(fā)現(xiàn)？
陸朝陽(yáng)：量子霸權(quán)這個(gè)學(xué)術(shù)名詞，就是說(shuō)量子計(jì)算機(jī)完成這個(gè)任務(wù)，是經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)在幾億年的時(shí)間里面都沒(méi)法完成的，他們把它叫作量子霸權(quán)。后來(lái)我們發(fā)表文章的時(shí)候，用的是量子計(jì)算優(yōu)越性，后來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界也慢慢采用了我們的這個(gè)名詞，量子霸權(quán)這個(gè)詞慢慢就少了。
記者：那你為什么不沿用它的量子霸權(quán)，而用量子計(jì)算優(yōu)越性這樣一個(gè)相對(duì)中和的詞？
陸朝陽(yáng)：我們希望在這方面體現(xiàn)我們中國(guó)文化的傳統(tǒng)，我們非常友好、愛(ài)好和平，不希望去炒作一些學(xué)術(shù)上的名詞。
記者：你做的這個(gè)科學(xué)研究，它算是基礎(chǔ)科學(xué)還是應(yīng)用科學(xué)？
陸朝陽(yáng)：您這個(gè)問(wèn)題問(wèn)得特別好。量子計(jì)算在早期的時(shí)候，在我們做到十個(gè)光子之前，是非常基礎(chǔ)的研究；后來(lái)我們用九章這種新的方法之后，你可以看到光子進(jìn)步的速度越來(lái)越快，已經(jīng)開(kāi)始慢慢從基礎(chǔ)研究過(guò)渡到了應(yīng)用研究和工程化、集成攻關(guān)這么一個(gè)階段。
中國(guó)的九章光量子計(jì)算機(jī)出來(lái)后，迅速成了世界各大實(shí)驗(yàn)室研究的目標(biāo)和對(duì)象。
陸朝陽(yáng)：反應(yīng)最大的是美國(guó)的國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局和加拿大的一個(gè)機(jī)構(gòu)，叫作仙樂(lè)都量子計(jì)算的初創(chuàng)公司。他們聯(lián)合起來(lái)用我們這個(gè)路線(xiàn)，中間有段時(shí)間又反超了我們，后來(lái)又被我們的九章三號(hào)給反超了。因?yàn)檫@個(gè)目標(biāo)太重要了，所以它是一個(gè)非常激烈的你追我趕這么一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程。
激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，迭代升級(jí)成為必然選擇。2023年10月，九章三號(hào)量子計(jì)算原型機(jī)出世，它在百萬(wàn)分之一秒時(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)時(shí)最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”花費(fèi)超過(guò)二百億年的時(shí)間。如今隨著九章四號(hào)的上線(xiàn)，量子計(jì)算的速度再次被提升到前所未有的高度。
陸朝陽(yáng)：在光量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，我們國(guó)家應(yīng)該說(shuō)是國(guó)際的領(lǐng)跑者，而且我們建立了最強(qiáng)的量子計(jì)算優(yōu)越性這么一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其他國(guó)家只有加拿大和美國(guó)，他們一個(gè)聯(lián)合小組做了同樣的目標(biāo)，其他國(guó)家還沒(méi)有做到這么一個(gè)里程碑的目標(biāo)。
因?qū)α孔佑?jì)算從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用技術(shù)的貢獻(xiàn)，陸朝陽(yáng)先后獲得多項(xiàng)國(guó)內(nèi)和國(guó)際的大獎(jiǎng)，入選《自然》“中國(guó)科學(xué)之星”，被國(guó)際同行譽(yù)為“量子鬼才”。
記者：科學(xué)研究對(duì)你來(lái)說(shuō)魅力在哪兒？
陸朝陽(yáng)：科學(xué)研究的魅力，還是回到我最初說(shuō)的頂天立地。我們會(huì)有機(jī)會(huì)去發(fā)現(xiàn)一些新的現(xiàn)象、新的規(guī)律、新的技術(shù)，這會(huì)給我們帶來(lái)非常大的滿(mǎn)足感。我發(fā)展的技術(shù)，也許某一天可以應(yīng)用于我們國(guó)家的需要或者應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)，這個(gè)也是一個(gè)特別好的事情。我是一個(gè)老師，看著這些年輕人，從最開(kāi)始來(lái)我們實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候特別懵懂的一些少年，后來(lái)成為獨(dú)當(dāng)一面的青年科學(xué)家，這個(gè)也會(huì)給我們帶來(lái)非常大的滿(mǎn)足感。
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