寻访 | 北京量子信息研究院

前言：为了普及科学技术知识、传播科学思想，光子盒特开启「寻访」专栏，带领各位读者探访全球的量子工厂和实验室。

2023年5月30日下午，为期6天的“2023中关村论坛主会期”落下帷幕。

量子计算、区块链、脑机接口、新能源材料——围绕众多前沿科技热点，2023中关村论坛设立55个平行论坛、150场论坛活动、吸引了来自80多个国家和地区的创新创业者。
作为科技创新高地，北京近年来在量子信息、生物医药、人工智能等前沿领域、硬科技领域优势明显，突破不断，成果叠出。在量子领域，额外引人注目的当属北京量子信息科学研究院——
2021年发布长寿命超导量子比特芯片突破500微秒大关、2023年发布量子计算云平台Quafu......连续两次，北京量子信息科学研究院把中关村论坛选为重大成果的发布平台。
“中关村论坛不仅推动了量子直接通信的发展，并且推动量子直接通信走向世界。”两次参加论坛的北京量子院科研副院长、清华大学教授龙桂鲁，对论坛也生出了感情。

在北京量子信息科学研究院的实验室里，龙桂鲁教授与研究人员正在进行量子直接通信样机研发。
早在2000年，清华大学教授龙桂鲁就带领团队提出了量子直接通信理论。“利用量子态的特性，我们可以在信息传递时边检查、边通信。暗中窃听会引发量子态的状态改变，对方既不能隐藏窃听行为，也无法窃取任何信息。”龙桂鲁解释，量子直接通信将传统保密通信的密钥分发和密文传输双信道结构，改变为单信道结构，不仅能够感知窃听，还能够阻止窃听。
不过，当2016年龙桂鲁带领团队启动量子直接通信原理样机的研制时，工程化实践的短板制约凸显出来。“高校科研小团队的力量远远不够。你很难要求物理系的学生掌握电子、半导体、软件编码等技术，所以初始产品里藏着一些小问题，影响了优化升级的脚步。”
这也折射出当时北京量子研究的不足：中科院、北大、清华等高校院所争相发力，但科研力量分散，资源优势并未有效转化为竞争优势。2017年12月24日，由北京市政府发起，联合多家顶尖学术单位共同建设的北京量子信息科学研究院揭牌成立。作为北京首批新型研发机构之一，量子院迈出了先行先试的步伐，大力引进全球量子科技领域人才的同时，还组建起一支高水平工程师组成的技术保障团队，打造产学研全链条畅通的科研平台。

2019年，龙桂鲁以“双聘制”形式加入量子院，担任该院副院长。在这里，财政科研经费实行“负面清单”，设备采购能“一键下单”，研究团队充分感受到新机制下科研进展的“日新月异”。随着软硬件工程师陆续加入团队，新一代样机在设计上更加成熟。
整合资源协同创新，龙桂鲁团队在量子院接连取得突破性成果：2020年成功推出世界首台实用化量子直接通信样机，率先实现10公里光纤链路每秒4千比特通信速率的量子保密通话；同年，通过编码优化，直接通信距离提升至18公里；2022年，龙桂鲁团队和清华大学教授陆建华团队合作，设计出相位量子态与时间戳量子态混合编码的新系统，将量子直接通信距离一举刷新至100公里，创下世界纪录。
——这意味着，依靠现有的成熟技术手段，城市之间已能实现点对点的量子直接通信。

“量子技术是从基础研究到应用转化最快的领域之一，量子院正是用灵活的体制机制打通了瓶颈，推动基础研究的成果向产品化应用转化。”龙桂鲁说。
现在，第二代量子直接通信样机的通信速率达到了每秒千比特的量级，能够稳定实现图文传输，并且已从“一对一”通信发展到了多人“群聊”，初步构建起了量子直接通信网络。
近期，龙桂鲁要把量子直接通信技术带出实验室，利用已铺设的光纤网络进行测试。“我们要让技术在真实环境中接受考验，再做进一步优化。”龙桂鲁预计，3至5年内，量子直接通信网络可能在特殊场合应用，实现接打“量子电话”、发送“量子信息”。

与龙桂鲁相似，陆续加入量子院的顶尖人才纷纷感受到北京推进前沿创新的加速度。2019年，长期从事超导量子计算和量子模拟研究的于海峰入职量子院。他快速组建起具有物理、电子、计算机等不同专业背景的40余人科研团队，围绕建造实用化量子计算机的总目标发起攻关。

于海峰在实验室
短短几年间，这支团队已经产出累累硕果：加工出的超导量子比特相干时间突破500微秒，该结果为国际文献报道的最高值；建立起整条量子芯片生产流水线，逐渐摆脱对进口设备的依赖；与中科院物理所研究团队联合推出的夸父量子计算云平台，成为我国最大的量子云平台集群……
2021年中关村论坛上，于海峰团队的重磅研究成果发布——长寿命超导量子比特芯片突破500微秒大关，这是当时国际文献报道的最高值，标志着我国量子芯片的质量得到了阶跃式提升。

2023年，北京量子信息科学研究院在2023中关村论坛开幕式正式发布quafu量子计算云平台。
“我们一定不能在第二次量子革命中败下阵来！”于海峰团队的研究计划已经瞄准了未来十年，“可能在我们的整个职业生涯中，都不一定能看到实用级别的量子计算机出现，但我们信奉‘功成不必在我，但功成必定有我’，只需要往前做，坚持做正确的事情。”

北京量子信息科学研究院超导量子计算实验室内，研究员正在进行科研工作。
2019年，32岁的常凯在马克斯普朗克微结构物理研究所完成博士后研究，虽然没有知名头衔，量子院依然看到了他的科研潜质。在加入量子院并组建低维量子材料团队后，短短2年时间，他的研究成果就登上了《科学》杂志。“量子院对于青年科学家的科研经费支持力度，让我可以完全按照自己的设想去建设世界一流的实验室，不必因为经费问题而做出种种妥协。”常凯说。
以研发高速光纤量子密钥系统而闻名的袁之良在2021年归国，担任量子院首席科学家。量子院对其科研支持工作的开展，以天为单位计算。从签订聘用合同到在岗投入科研，短短4个月的时间里，他所需要的科研设备论证、300平方米实验室改造、科研团队组建工作全部完成。

北京量子信息科学研究院量子密钥分发实验室。
2023年3月，袁之良（2022年当选美国光学学会会士）团队的实验室发布最新成果，在世界上首创开放式架构双场量子密钥分发系统，完成615公里光纤量子密钥分发实验。这种开放式架构设计简洁，能极大节约量子网络系统的建设成本，助力未来实现在城市间拨打“量子语音电话”。
新的运行体制、新的财政支持政策、新的绩效评价机制、新的知识产权激励、新的固定资产管理方式，量子院不断释放创新活力，新的世界纪录也在这里不断诞生。

5年多来，量子院作为北京市首批支持建设的新型研发机构之一，已孕育出一系列世界级科研成果。

2023年北京科技周主会场以“北京新征程”为主线，从“自立自强”、“踔厉奋发”、“勇毅前行”三个维度，以“征途”的道路形式呈现。其中量子信息展区，展示了北京市全力推进量子信息技术占先的阶段性重大成果。
打破科研单位之间、学科之间、科研与产业之间的“三堵墙”，新型研发机构以开放创新的大胆探索，集聚全国乃至全球顶尖人才的聪明智慧，在重大基础前沿科学研究、关键核心技术攻关方面接连取得突破性进展。
“不完全像大学、不完全像科研院所、不完全像企业，不完全像事业单位”，不少科研人员将新型研发机构亲切地称为“四不像”单位。正是这种“四不像”的探索，打破了基础研究与产业的隔膜，成功激发和凝聚科学家精神，让北京原始创新和前沿探索呈现出“千里马”竞相奔腾的蓬勃生机。
参考链接：[1]https://mp.weixin.qq.com/s/0bwfym1FGepBuAfVGoFPzQ[2]https://mp.weixin.qq.com/s/tf_z70UE6JNS4Gi2kbf3EQ[3]http://www.baqis.ac.cn/about/[4]https://mp.weixin.qq.com/s/nujNhbbWqLUkDuuL9vQn-g[5]https://mp.weixin.qq.com/s/vMq0YxOgG7gAqEmTeisTtA[6]https://mp.weixin.qq.com/s/Jv6WOxzT2_j4DXG_eZwg7A[7]https://mp.weixin.qq.com/s/Oig4-opPKhhGG3l9r5oNYw

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