中国的量子跃迁 | 袁岚峰
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导读
我希望，我们每一位朋友和我们整个国家，都能超越自己，实现量子跃迁。
本文是作者2022年1月参加字节跳动主办的年度活动“新知十讲特别策划”的演讲文稿，视频见https://www.ixigua.com/7051459542873276931，目前观看量已达13.1万次。
大家好，我是科技袁人袁岚峰，来自中国科学技术大学。感谢字节跳动邀请我参加年终特别策划，作为十大年度知识人物之一来讲讲今年的“变化”。确实，2021年对我和对整个中国科学界来说都发生了重要的变化。
最显著的变化之一，是中国在量子计算领域也达到了世界领先。以前中国是在量子通信方面领先，在量子计算方面落后于美国，然后2020年跟美国达到了并驾齐驱，而今年又在某些方面超越了美国。
不久前，大家可能都看到了一个实验室漏水、学生抢救受奖励的报道（5名学生凌晨救了实验室被重奖！网友扒出一个秘密……）。可以告诉大家的是，那就是我所在的实验室！就是合肥微尺度物质科学国家研究中心，简称微尺度。
这个故事是这样的。11月21日凌晨两点，有一位同学去做实验，发现有个房间在漏水，波及到了自己的实验室。在这个实验室内有180个通道的超导纳米线探测器，如果没有得到及时处置，将造成至少2400万元的经济损失，而且会延误“九章三号”实验一年以上。他立即召集隔壁的四位其他同学一起引水，并通知物业关闭了水阀。事后，微尺度决定奖励这五位同学12万元。
其实这事刚一出来，我就收到了微尺度的通报信件（凌晨两点拯救九章三号，微尺度五位同学获奖励 | 袁岚峰）。我看完以后就默默地把它放在一边，没有跟任何人说。每当我科普一个比较神奇的科技，都会有人在评论区说担心泄密，但实际上我对保密的警惕性是非常高的。然而一天之后，就有不知道什么人把这消息发到自媒体上去了，然后一下子全国的自媒体都在报，然后全国的官媒都来报。令我和同事们欣慰的是，读者的反响都很正面，这成了一件神奇的坏事变好事。我们中国人民还是很可爱的！
关于对理化大楼06-004实验室漏水进行及时处置的相关人员进行奖励的通报
在这则新闻中有好几个关键词。许多人注意到了“凌晨两点”，感叹科大的学生这么勤奋。许多人注意到了“奖励12万元”，称赞科大的领导很有魄力。不过在技术上，最重要的关键词是“九章三号”，因为它是中国正在研制的、世界上最先进的光量子计算机。
2020年12月4日，第一代的“九章”量子计算机全世界刷屏，它对“玻色子取样”这个问题超越了最强的经典计算机一百万亿倍，标志着中国在量子计算领域跟美国达到了并驾齐驱，领先其他国家。2021年10月26日，“九章”升级成了“九章二号”（“比超级计算机快亿亿亿倍！”），光子数从76增加到113，对经典计算机的优势从一百万亿倍增加到了一亿亿亿倍，即从10的14次方增加到10的24次方，又提高了10个量级。“九章三号”会达到什么程度呢？非常值得期待。通过这次的报道，让全国人民都知道了“九章三号”的存在，这也是个意外的收获。
其实在这之前不久，还有一个只有专业人员注意而普通群众不太清楚的进展，就是中国消灭了美国的量子优越性。请注意这不是个情绪性的表述，不是说中美两国在进行你死我活的搏斗，而是说量子计算机和经典计算机在赛跑，美国本来让量子计算机取得了优势，最近中国科学家又改进了经典计算机，让它反超了量子计算机。这是一个良性竞争，是量子和经典双方在互相学习、共同进步，而不是零和博弈。
让我们具体解释一下。所谓量子优越性（quantum advantage），就是对某个问题，量子计算机超过最强的经典计算机。例如九章这一系列，就对玻色子取样这个问题实现了量子优越性。其实这个概念刚提出来的时候叫做量子霸权（quantum supremacy），后来许多人觉得这个词听着像霸权主义，让人不舒服，所以现在更多地叫做量子优越性了。但这只是个修辞的问题，无论叫量子霸权还是量子优越性，实质意思都是一样的。
2019年10月23日，谷歌宣布自己的量子计算机“悬铃木”（Sycamore）实现了量子优越性。它处理的问题叫做“随机线路取样”，这是一个对经典计算机十分困难、而对量子计算机相对容易的任务。悬铃木取样200秒获得了100万个数据，而当时最快的超级计算机“顶点”（Summit）获得同样的数据需要一万年，所以实现了量子优越性。
然而，在那之后立刻有很多团队来改进经典算法，力图反超悬铃木。例如IBM立刻提出了一种方案，可以把经典计算机的时间缩短到两天半。当然两天半还是比200秒长，但差距已经大为缩小了。这有助于大家理解，这是量子和经典之间的竞争，而不是中美国家之间的竞争，你看IBM也在努力推翻谷歌的优势嘛。其他一些机构，如阿里巴巴达摩院，在这个目标上也取得了成果。
2021年11月，经典计算机实现了突破。中国科学院理论物理研究所张潘研究员的团队对经典算法做出了重大改进，15个小时就完成了悬铃木的任务。你也许会说，15小时还是比200秒长啊？是的，但张潘他们用的只是一个512块GPU的计算集群，这个计算能力是很小的，只是用来演示算法。他们预测，把这个计算迁移到我国最新的超级计算机即新神威上，就可望在几十秒内完成，短于200秒。这就正面击败了悬铃木。因此，理论物理所报道这项工作的标题就叫做《谷歌量子霸权的瓦解》（谷歌量子霸权的瓦解 | 中科院理论物理所）。
从量子计算的角度，来看一下当前的大图景。中国在至少一种物理体系上实现了量子优越性，即九章系列用的光学体系，这也是人类目前唯一可靠的量子优越性。美国原本在悬铃木的超导体系上实现了量子优越性，但现在被经典计算机反超了。所以美国实现量子优越性的体系数从1变成了0，又跟其他国家一样了。
在美国原本具有优势的超导体系上，中国也在大踏步地前进。2021年10月26日，潘建伟团队在宣布九章二号的同时，还宣布了另一台量子计算机，叫做“祖冲之二号”（中国量子计算机再获突破！在这方面已超越美国「知识辞海计划」| 科技袁人）。它是今年5月6日发表的“祖冲之号” （袁岚峰在央视新闻解读超导量子随机行走计算机“祖冲之号” | 科技袁人）的升级。祖冲之二号跟悬铃木一样也是超导体系，执行的任务也是随机线路取样，但复杂度比悬铃木高得多。这就引出了一个有趣的问题：张潘等人的经典算法能不能反超祖冲之二号？我问了张潘，回答是不知道，因为他们还没来得及研究祖冲之二号。所以你看，中国内部也在进行量子与经典的竞争。
总结一下，中国有量子优越性的物理体系数可能是1，即光学，也可能是2，即光学加超导。而其他国家都是0，包括美国从1变成了0，所以中国在这方面世界领先。
当前最有趣的是，最强的量子计算机是中国造的，最强的反超量子计算机的经典算法也是中国提出的。这场“左右互搏”十分奇妙，中国在量子计算领域和经典计算领域都在引领世界（量子计算和经典计算都引领世界，中国是如何做到的？| 袁岚峰）。
量子信息这门学科，包括量子计算、量子通信和量子精密测量三部分。下面，我们来讲讲今年中国在量子精密测量和量子通信的成果。
一个最近的例子，是11月29日人民日报微信公众号发了篇文章《中科大发布新成果！》（中科大发布新成果！），点赞上万。可以看出人民日报的编辑和绝大多数读者一样，都是“我看不懂，但我大受震撼”，于是起了这么一个既自豪、又懵懂、又放弃治疗的标题，仅仅说“中科大发布新成果”，结尾叹号，完全没说这是个什么成果。
实际上，这是我的同事和朋友彭新华教授团队的成果，她几个月以前就跟我说了这件事。最近论文正式发表了，于是开始通报媒体宣传了。我给大家简单地解读一下，这是一个探测暗物质的工作。
请大家看这两张图。前一张是以前的大型天文学观测给出的暗物质界线，就是说暗物质只可能存在于这条界线之下。这条界线还比较高，所以我们看到暗物质粒子在里面游来游去，嬉皮笑脸。后一张是彭新华等人用量子精密测量的方法给出的新界线，比以前一下子低了5个数量级。所以我们看到，暗物质粒子在里面没多少地方可游了，愁眉苦脸。好比在一个鱼塘里抓鱼，我们可以说，量子科技承包了这片鱼塘！
大型天文学观测给出的暗物质界线
桌面式实验观测给出的暗物质界线
有人也许会问，这个成果能不能得诺贝尔奖？回答是：还不能，因为它只是缩小了暗物质可能出现的范围，还没有找到暗物质。也就是说，它处于“工欲善其事必先利其器”的阶段。如果将来找到了暗物质，那当然就远不止是诺贝尔奖了，而是引发科学革命。
在量子通信领域，中国有非常明确的优势，大约领先欧洲3至5年，领先美国5至8年。
2021年1月7日，潘建伟等人发表论文，宣布建成了天地一体化的量子通信网络，即天上的“墨子号”量子科学实验卫星加地上的“京沪干线”量子通信骨干网（跨越4600公里，中国量子通信全球领先，欧美多久才能追上？| 袁岚峰）。墨子号是2016年发射的，京沪干线是2017年开通的，这篇论文是对它们几年来运行情况的总结。基本结论是，广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟，为未来覆盖全球的量子保密通信网络奠定了科学与技术基础。
经过几年的媒体宣传，许多人可能都知道了，量子通信的主要作用是保密传输。这是正确的，但这个天地一体化量子通信网络的作用还不止于此，它是全人类一个重要的科学研究平台。
例如2019年9月20日，潘建伟等人在《Science》发表文章，用超大尺度量子干涉的实验探索了量子力学与广义相对论的融合。什么叫量子力学与广义相对论的融合？量子力学与广义相对论是当前物理学的两大基础理论，但你仔细想想就会发现，基础理论居然有两个，正说明它们都还不够基础。真正基础的理论，应该只有一个才对。所以物理学家在努力把两者统一起来，这是整个科学界最重要的前沿之一。
具体而言，近年来，有澳大利亚学者提出了一个理论模型，叫做“事件形式”。他们预言，处于量子纠缠的光子对在地球引力场中传播时，关联程度会损失。所以我们可以通过观测这个效应，来检验这个理论。
这样的实验原本没法做，但现在有了墨子号就可以做了，因为墨子号可以向地面相距上千公里的两个地方发出纠缠光子对。实验检验的结果，是没有观测到关联有损失，所以否定了澳大利亚学者的理论。不过这个理论并没有死透，如果想拯救它，就要对它进行修正。中国未来发射的高轨道量子科学实验卫星，会对修正后的理论进行检验。
比具体结论更重要的是，人类终于有了这样的实验条件，能够研究这样基础的问题。所以中国的天地一体化量子通信网络不止是中国的财富，而且是全人类的财富。这才符合毛主席的期望：中国应当对于人类有较大的贡献。
讲完了中国量子信息科学界的变化，来讲讲我自己的变化。最显著的变化，就是我出版了第一本科普著作，标题叫做《量子信息简话》。我讲过很多领域的科普，但讲得最多的就是量子信息。而量子信息，也正是近年来最热的科技领域之一。
《量子信息简话》
因此，这本书引起了很多人的关注，第一次印刷很快就售罄了，目前卖的是第二次印刷。但同时也经常有人问我，要什么样的知识程度才能看懂这本书啊？高中够不够？初中够不够？要不要先去学一遍大学物理？我每次都回答他们：只要会认字、会数数，就能看懂此书的很大一部分。
实际上，这本书的副标题就是“给所有人的新科技革命读本”。我的指导思想就是给所有人看的，小学生看不会觉得它太艰深，科学家看也不会觉得它太浅薄，任何人都可以从中得到收获。此书的推荐者之一是中国科普作家协会理事长周忠和院士，他是一位古生物学家。他说：“这是一本我见过的有关量子信息最好、最通俗易懂的科普书，适合每一位关注科技前沿的读者。”10月23日举行过一次签售会，然后主持人和我惊讶地发现，第一位来找我签名的是一位四年级的小学生同学，然后还有许多小学生、中学生，甚至有幼儿园的。
随着量子领域不断有重要进展报道出来，中国人民对量子科技的了解越来越多了，也越来越有自信了。以前每次中国有重要成果出来，都会有很多人说这是假的，是骗钱的，是没有意义的。我写过很多文章驳斥这些谬论。现在任何人想反驳这些谬论就很容易了，把我的《量子信息简话》拍到他们面前就行了。
在此书的开头，我就写了一节“正确和错误的思维方式”，阐述了如何对量子科技以至于任何科技正确地理解。基本原则就是要认真去学，最好是自己去读专业教材和论文，其次是读专业人士写的科普。千万不要被民科带着跑，听风就是雨。
例如以前有一段时间，经常有人来问我，听说量子通信有争议，是不是这样？我总是告诉他们：在科学层面，没有任何争议。
因为量子通信的原理是早就经过严格证明的，学术界早有共识。从来没有人在正规期刊上发一篇论文推翻量子通信。所谓争议只是一些网络文章，难道这能叫作学术争议吗？比如说我现在写一篇网络文章反对“1 + 1 = 2”，难道你就会认为“1 + 1 = 2”有争议吗？如果这样的话，那么你会发现找不到任何一个没有争议的东西。连“地球是平的”都有很多人相信，你会认为地球的形状有争议吗？
有趣的是，过了一段时间之后，说“量子通信是骗局”的声音少了——因为中国的量子计算取得重大成果，这些人又去一窝蜂地论证“量子计算是骗局”了！量子计算为量子通信吸引了火力！这真是一个时代的喜剧！
这几年来，我为中国的量子信息研究者感到非常不平。他们辛勤拼搏，把量子信息变成了极少数的中国在整体上处于领先地位的大的科技领域之一，这是一个了不起的成就。然而为什么在许多舆论中，他们俨然成了骗子，引得许多人群起而攻之？难道就因为他们比其他人优秀得太多？正如《让子弹飞》的那句话：凭什么好人就得让人拿枪指着？木秀于林，风必摧之，这难道就是我们的宿命吗？如果我们好坏不分，埋没好人，那这个国家、这个民族还有什么希望？
科技部的领导曾经跟我聊过，说许多人说潘建伟的量子通信是假的，该怎么看？我说大家可以想一想，如果我们听了这些人的，把潘建伟赶走了，让他到美国去了，对我们是好事还是坏事？领导一听就明白了，说那当然是坏事。
真正的英雄，总难免经历磨难。但最重要的是，他们坚持做正确的事情。这是我非常敬佩量子信息研究者的一点。随着中国量子信息的成果一桩接一桩地报出来，中国人民逐渐地习以为常了，在心理上接受了“中国是先进国家”这个事实。
例如以前，当中国只有少数成果领先时，常见的一种说法是：但凡说中国的科技超越美国的，都是假的。另一种常见的说法是：量子通信美国不搞，只有中国搞，可见美国是早就知道这东西没前途所以不搞。然而现在，随着中国的领先成果越来越多，从星星之火到四面开花，这些愚蠢的论调就逐渐偃旗息鼓了。这种理论在事实层面是错误的，在逻辑层面也是错误的。谁规定中国科技不能超越美国的？谁规定美国不搞的中国就不能搞的？这都得心理扭曲到什么程度，才会相信这种逻辑！
所以，反量子信息的民科声势越来越低了。以前在评论区经常见到民科的狂欢，现在逐渐只剩一些铁杆民科像孔乙己似的喃喃自语，还经常引起旁观者的嘲笑。我们中国人民还是很可爱的！
这说明，“坚持做正确的事”这个策略虽然看起来是最缓慢的，但归根结底是最强大的。我自己也有若干次这样的体验。人生有时就是这样：各方面的压力都非常大，即使有再多的人愿意帮你也帮不上忙，你唯一可依靠的就是你自己努力，做你该做的事。
最终，我做出了我该做的事。不需要等待外界的承认，当一个人真正做出了不起的成果时，他自己是知道的。我知道，我进入了新的境界。我对自己说，我超越了自己。
用量子力学的语言比喻，这叫做“量子跃迁”，表示不连续的飞跃。我希望，我们每一位朋友和我们整个国家，都能超越自己，实现量子跃迁。
谢谢大家！
凌晨两点拯救九章三号，微尺度五位同学获奖励 | 袁岚峰
“比超级计算机快亿亿亿倍！”
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跨越4600公里，中国量子通信全球领先，欧美多久才能追上？| 袁岚峰
背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。
责任编辑：孙远