Wilczek、潘建伟、丁洪，一起畅聊物理学的基本问题。欢迎大家预约直播。时间：2023-11-12

✦中国科学家实现基于器件无关量子随机数信标的零知识证明✦近日，依托中国科学技术大学组建的中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、张强等与上海交通大学郁昱、清华大学马雄峰、南方科技大学范靖云等研究者合作，首次实现了一套以器件无关量子随机数产生器作为熵源，以后量子密码作为身份认证的随机数信标公共服务，将其应用到零知识证明（ZKP）领域中，消除了非交互式零知识证明（NIZKP）中实现真随机数的困难所带来的安全隐患，提高了NIZKP的安全性。相关成果于11月2日发表于国际学术期刊《美国国家科学院院刊（PNAS）》。零知识证明（ZKP）是一种基本的密码学工具，允许互不信任的通信双方之间，一方向另一方证明某个命题的有效性，同时不泄露任何额外信息。非交互式零知识证明（NIZKP）是ZKP的一种最重要的变体，其特点是通信双方无需多次信息交换。由于其简单易行并且互相通信次数少，NIZKP广泛应用于数字签名、区块链和身份认证等领域。常用的NIZKP系统的安全性建立在生成可信的真随机数的假设之上，然而，实际应用中，由于真随机数生成器难以实现，通常会使用确定性的伪随机数算法来替代。此前已有研究指出，这种方法会产生潜在的安全隐患。量子物理学的内禀随机性为解决这一安全隐患提供了全新方案。特别地，基于无漏洞贝尔不等式检验的器件无关量子随机数（DIQRNG）可以提供具有最高安全等级的真随机数，其安全性由量子力学基本原理保证，无需用户对量子设备进行任何先验表征或假设。研究团队于2018年在国际上首次实现可抵御量子攻击的DIQRNG

✦实现“九章三号”光量子计算原型机✦依托中国科学技术大学组建的中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。“九章三号”光量子计算原型机科研人员设计了时空解复用的光子探测新方法，构建了高保真度的准光子数可分辨探测器，提升了光子操纵水平和量子计算复杂度。根据公开正式发表的最优经典精确采样算法，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前最强的超级计算机“前沿”（Frontier）花费超过二百亿年的时间。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。相关成果于10月11日发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。实验装置示意图量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式，它在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定量子算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速。因而，研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。为此，国际学术界制定了三步走的发展路线。其中，第一步是实现“量子计算优越性”，即通过对近百个量子比特的高精度量子调控，对特定问题的求解展现超级计算机无法比拟的算力，这标志着40年前

✦“九章”光量子计算原型机科研实物入藏国家博物馆✦近期，中国科学技术大学应邀向中国国家博物馆捐赠“九章”量子计算原型机相关科学元器件实物和原始资料。国家博物馆对中国科大团队表示诚挚的感谢，并向中国科大颁发收藏证书。量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式，它在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定量子算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速。因而，研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。从上世纪80年代初Benioff、Feynman、Manin提出量子计算概念、Deutsch建立通用量子图灵机理论、90年代Shor提出大数分解算法和量子纠错以来，量子计算领域一直追求的一个重大里程碑目标是真正在技术上造出量子计算原型机，对特定问题的求解展现超级计算机无法比拟的算力。这个里程碑标志着量子计算从“物理演示”真正迈进“展示算力”的拐点，被国际学术界取名为“量子计算优越性”。它不仅是实现未来大规模量子计算的第一步，并可用于实验检验计算科学著名的“扩展的丘奇—图灵论题”，成为了国际激烈角逐的焦点。历经多年的原理探索和技术攻关，中国科大潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队自主研发了高性能量子光源和高精度锁相多模式光量子干涉线路，并与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，于2020年构建了76个光子100模式的量子计算原型机“九章”，并在次年升级到113个光子144模式的九章二号。“九章”的命名是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。在对高斯玻色取样任务的求解上比当时最好的经典算法和超级计算机快1014倍，功耗低1013。进一步，研究团队揭示了高斯玻色取样和图论之间的数学联系，基于“九章”完成对稠密子图和Max-Haf两类具有实用价值的图论问题的求解，相比经典计算机精确模拟的速度快1.8亿倍。“九章一号”量子计算机“九章”量子计算原型机的成功研制使我国首次达到了具有历史性意义的“量子计算优越性”里程碑，牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。成果发表在《科学》期刊，入选了我国两院院士评选的“中国科技十大进展新闻”、美国物理学会“国际物理学年度十大进展”等。《自然》以“中国物理学家挑战谷歌的量子霸权”专题报道，评论：“中国研究团队首次明确地展示‘量子优越性’…

✦四名研究人员获2023年度“科学探索奖”✦7月17日，2023年度“科学探索奖”获奖名单揭晓，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院（以下简称量子创新研究院）石发展、张强、彭新华、曾杰等4位骨干研究人员（按姓氏笔划排序）获奖，其中，彭新华为获得数学物理学领域科学探索奖的首位女性科学家。2023年度“科学探索奖”获奖名单揭晓科学探索奖于2018年设立，是一项由新基石科学基金会出资、科学家主导的公益奖项，面向基础科学和前沿技术的十个领域，每年遴选不超过50位获奖人，每位获奖人将在5年内获得总计300万元人民币奖金，是目前国内金额最高的青年科技人才资助计划之一。科学探索奖5年来一共资助248位青年科学家，平均年龄41岁。量子创新研究院4位获奖骨干研究员介绍如下：石发展获前沿交叉领域科学探索奖中国科学技术大学教授，博导，国家杰出青年科学基金、“万人计划”青年拔尖人才、青促会优秀会员等获得者。长期聚焦单自旋量子精密测量领域，发展微纳尺度磁共振谱学和成像方法技术，推进其在物理、生命科学和医学领域的应用研究。基于自主研制的系列前沿单自旋/单分子磁共振谱仪装备，开展相关实验研究并取得系统性的成果。团队和个人曾获教育部自然科学奖一等奖（第二完成人，2018年）、安徽省优秀青年科技人才（2022年）、贝时璋青年生物物理学家奖（2017年）、国际顺磁共振学会青年研究学者奖（2017年）等。张强获前沿交叉领域科学探索奖中国科学技术大学教授、美国光学学会会士、国家杰出青年科学基金获得者、国家重点研发计划首席科学家、国际电联（ITU）“面向网络的量子信息技术焦点组”主席、全国量子计算与测量标准化技术委员会秘书长。长期从事量子通信和量子精密测量实验研究，曾获2019年中国科学院杰出科技成就集体奖（主要完成人），研究成果两次入选两院院士评选的年度“中国十大科技进展新闻”（2006年、2014年）、一次入选美国物理学会评选的年度物理学重要进展（2013年）。彭新华获数学物理学领域科学探索奖中国科学技术大学教授，“万人计划”科技创新领军人才，国家杰出青年科学基金获得者。一直致力于自旋体系量子信息处理的实验研究，在量子算法、量子模拟，量子控制，量子精密测量等重要课题方面开展了系统性的研究，取得了一系列对推动学科领域发展有实质性贡献的研究成果。曾获教育部自然科学奖一等奖（2011年，排名2）、第十二届中国青年女科学家奖（2015年）、“长江学者奖励计划”青年学者（2015年）、中国科学技术大学杰出研究校长奖（2021年）等，研究成果曾入选“中国高校十大科技进展”（2009年）。曾杰获化学新材料领域科学探索奖中国科学技术大学教授，国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士，国家重点研发计划首席科学家。研究领域聚焦于二氧化碳的催化转化，在催化机理、催化剂和催化流程三方面开展了系统性的创新工作，入选2019至2022年全球高被引科学家名录，研究成果曾入选国家“十三五”科技创新成就展、两院院士评选的年度“中国十大科技进展新闻”（2022年）。✦✦✦✦END关于量子科话量子科话面向热爱科学、关心科技发展的公众，介绍量子科技领域重要前沿研究进展和国内外相关发展动态，对公众关注的科学问题提供客观的解读，助力加深公众对量子科技的认识，感受量子世界的奥妙。量子科话由合肥国家实验室和中国科学院量子信息与量子科技创新研究院共同主办。

✦实现最大规模的51比特量子纠缠态制备✦中国科学技术大学中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与北京大学袁骁合作，成功实现了51个超导量子比特簇态制备和验证，刷新了所有量子系统中真纠缠比特数目的世界纪录，并首次实现了基于测量的变分量子算法的演示。该工作将各个量子系统中真纠缠比特数目的纪录由原先的24个大幅突破至51个，充分展示了超导量子计算体系优异的可扩展性，对于多体量子纠缠研究、大规模量子算法实现以及基于测量的量子计算具有重要意义。相关研究成果于7月12日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。实现51个超导量子比特簇态制备和验证量子纠缠是量子力学中最神秘也是最基础的性质之一，同时也是量子信息处理的核心资源，是量子计算加速效应的根本来源之一。多年以来，实现大规模的多量子比特纠缠一直是各国科学家奋力追求的目标。自1998年人们首次利用核磁共振系统实现3比特GHZ态的制备开始，真多体纠缠态的制备成为包括光子、离子阱、NV色心、中性原子及超导量子比特等各种物理系统规模化扩展的重要表征手段。其中，超导量子比特具有规模化拓展的优势，在近年来发展迅速。我国科学家在超导量子比特多体纠缠制备方面取得了一系列重要成果，自2017年起先后完成了10比特、12比特、18比特的真纠缠态制备，不断刷新超导量子计算领域的纠缠比特数目纪录。然而，更大规模的真纠缠态制备要求高连通性的量子系统、高保真的多比特量子门操作、以及高效准确的量子态保真度表征手段。高连通性保证了大规模量子态生成的可能性，避免了因缺陷和连通性不足限制量子态规模；通过高保真量子门才能够将量子比特连接起来形成高保真的多体量子纠缠态；而高效的量子态表征是克服随比特数指数级增长的量子态规模复杂度、进行量子态保真度准确估计的重要保证。这些要求对量子系统的性能、操控能力以及验证手段提出了很高的要求，使此前真纠缠比特的规模停留在约20个量子比特的水平。

✦实现迄今最高精度的电子电偶极矩测量✦美国实验天体物理联合研究所（JILA）的研究团队将电子电偶极矩（eEDM）上界值压缩到4.1×10-30

✦实现接近量子极限的光学时间传递✦美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究团队发展了时间可编程光频梳技术，将接收功率的最小值从数纳瓦特降低到了仅为数百飞瓦特，接收功率接近量子极限。研究团队展示了在创纪录的300公里自由空间距离和创纪录的102dB链路损耗下，以仅4.0毫瓦的输出功率实现了阿秒级时间传输，远远优于分布式相干传感、秒重新定义以及基础物理学检验所要求的水平。该成果验证了在高损耗星地链路中实现大规模自由空间时间频率传递网络的可能性。相关论文于6月21日发表在《自然》杂志上。©

✦IBM发现错误缓解技术可能提升量子计算的实用性✦IBM公司的研究团队基于最新研制的127比特Eagle量子处理器IBM

✦实现用于模拟真实分子的人工分子✦荷兰拉德堡德大学的研究团队利用铯原子和铟锡表面上的电子表面约束，开发了一种用于模拟分子轨道的固态量子模拟器，可以通过人工合成分子来模拟真实分子的行为并调整分子的特性。该系统可作为一个模拟量子化学的多功能平台，并提供研究分子轨道和结构之间相互作用的新方法。这将有助于量子和有机化学、固体物理和多体物理等领域的研究。该成果于6月8日发表在《科学》杂志上。©

Science研究论文以《分裂声子：构建线性力学量子计算平台(Splitting

✦“九章”光量子计算原型机求解图论问题✦依托中国科学技术大学组建的中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队基于“九章”光量子计算原型机完成了对“稠密子图”和“Max-Haf”两类图论问题的求解，通过实验和理论研究了“九章”处理这两类图论问题为搜索算法带来的加速，及该加速对于问题规模和实验噪声的依赖关系。该研究成果系首次在具有量子计算优越性的光量子计算原型机上开展的面向具有应用价值问题的实验研究。相关论文近日以“编辑推荐(Editors'

Nature研究论文以《阿秒电子显微镜观察亚周期光学动力学(Attosecond

✦实现千公里无中继光纤量子密钥分发✦依托中国科学技术大学组建的中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、张强等与清华大学王向斌、济南量子技术研究院刘洋、中国科学院上海微系统与信息技术研究所尤立星、张伟君等合作，通过发展低串扰相位参考信号控制、极低噪声单光子探测器等技术，实现了光纤中1002公里点对点远距离量子密钥分发，不仅创下了光纤无中继量子密钥分发距离的世界纪录，也提供了城际量子通信高速率主干链路的方案。相关研究成果于5月25日发表在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical

✦设定万有引力与中子自旋耦合强度新上限✦近期，依托中国科学技术大学组建的中科院量子信息与量子科技创新研究院在寻找粒子自旋与引力的耦合方面取得重要进展。盛东教授与卢征天教授的联合课题组利用高精度氙同位素共磁力仪寻找中子自旋与万有引力的耦合效应，实验发现中子在自旋朝上与朝下之间的重量差别小于十万亿亿分之二（

✦首次在超导量子电路中实现贝尔不等式违背✦由苏黎世联邦理工学院主导的多国合作研究团队利用超导电路，演示了一个无漏洞的贝尔实验。通过表明相距遥远的量子力学对象之间可以存在比传统系统中更强的关联，为反驳爱因斯坦“定域实在论”概念提供了进一步的证实。该实验的特别之处在于，研究人员首次使用超导电路来实现，而超导电路被认为是构建量子计算机的有潜力的候选物理体系。该成果于5月10日发表在《自然》杂志上。©

✦实现超越海森堡极限精度的量子精密测量✦近期，依托中国科学技术大学组建的中科院量子信息与量子科技创新研究院郭光灿院士团队在量子精密测量的研究中取得重要进展。该团队李传锋、陈耕等人与香港大学同行合作，利用量子不确定因果序实现了超越海森堡极限精度的量子精密测量。研究成果于5月1日以“Experimental

✦苏黎世理工大学实现迄今最大规模的薛定谔猫态✦瑞士苏黎世理工大学Chu

徐飞虎3月9日和13日，由瑞士和中国分别完成的高速量子通信成果先后在线发表在《自然·光子学》（Nature

✦量子纠错领域取得突破性实验进展✦近日，在俞大鹏院士的带领下，依托南方科技大学建设的深圳十大基础研究机构——深圳量子科学与工程研究院、深圳国际量子研究院助理研究员徐源等联合福州大学郑仕标教授、清华大学孙麓岩教授等团队，在基于超导量子线路系统的量子纠错领域取得突破性实验进展。联合研究团队通过实时重复的量子纠错技术延长了量子信息的存储时间，在国际上首次超越盈亏平衡点，展示了量子纠错优势。这一里程碑式的突破代表了迈向实用化可扩展通用量子计算的关键一步，相关研究成果以“Beating

✦实现百兆比特率量子密钥分发✦依托中国科学技术大学组建的中科院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、徐飞虎等与上海微系统所、济南量子技术研究院、哈尔滨工业大学等单位的科研人员合作，通过发展高保真度集成光子学量子态调控、高计数率超导单光子探测等关键技术，首次在国际上实现百兆比特率的实时量子密钥分发，实验结果将此前的成码率纪录提升一个数量级。该成果于3月14日在线发表于国际著名学术期刊《自然·光子学》杂志

✦量子计算：后摩尔时代计算能力提升的解决方案✦编者按：由朱晓波、陆朝阳、潘建伟等人撰写的这篇文章客观介绍了量子计算的原理、发展现状以及发展趋势：“实现‘量子计算优越性’的阶段目标是量子计算研究的第一个里程碑，它验证了量子计算机可以超越经典计算机的可行性，但量子计算机距离能够解决有价值的实际问题，还有较长的路要走。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明确，国际学术界一般认为还需要10至15年甚至更长时间。”量子计算是基于量子力学的全新计算模式，具有原理上远超经典计算的强大并行计算能力，为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，并可揭示量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制。与传统计算机使用0或者1的比特来存储信息不同，量子计算以量子比特作为信息编码和存储的基本单元。基于量子力学的叠加原理，一个量子比特可以同时处于0和1两种状态的相干叠加，即可以用于表示0和1两个数。推而广之，n个量子比特便可表示2n个数的叠加，使得一次量子操作原理上可以同时实现对2n个叠加的数进行并行运算，这相当于经典计算机进行2n次操作。因此，量子计算提供了一种从根本上实现并行计算的思路，具备极大超越经典计算机运算能力的潜力。类似于经典计算机，量子计算机也可以沿用图灵机的框架，通过对量子比特进行可编程的逻辑操作，执行通用的量子运算，从而实现计算能力的大幅提升，甚至是指数级的加速。一个典型的例子是1994年提出的快速质因数分解量子算法（Shor算法）。质因数分解的计算复杂度是广泛使用的RSA公钥密码系统安全性的基础，例如，如果用每秒运算万亿次的经典计算机来分解一个300位的大数，需要10万年以上；而如果利用同样运算速率、执行Shor算法的量子计算机，则只需要1秒。因此，量子计算机一旦研制成功，将对经典信息安全体系带来巨大冲击。量子计算的发展阶段量子计算机的计算能力随量子比特数目呈指数增长，因此量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模，国际学术界公认量子计算有如下发展阶段：第一个阶段是实现“量子计算优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。美国谷歌公司在2019年率先实现超导线路体系的“量子计算优越性”。我国则分别于2020年在光量子体系、2021年在超导线路体系实现了“量子计算优越性”。加拿大Xanadu公司在2022年实现光量子体系的“量子计算优越性”。目前，我国是唯一在两种物理体系都达到这一里程碑的国家，牢固确立了国际量子计算研究第一方阵的地位。第二个阶段是实现专用量子模拟机，即相干操纵数百个量子比特，应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，指导材料设计、药物开发等，达到该阶段需要5至10年，是当前的主要研究任务。由于量子比特容易受到环境噪声的影响而出错，对于规模化的量子比特系统，通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求，也是一段时期内面临的主要挑战。第三个阶段是实现可编程通用量子计算机，即相干操纵至少数百万个量子比特，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明确，国际学术界一般认为还需要15年甚至更长时间。目前，国际上正在对各种有望实现可扩展量子计算的物理体系开展系统性研究。我国已完成了所有重要量子计算体系的研究布局，成为包括欧盟、美国在内的三个具有完整布局的国家（地区）之一。光量子计算国际领先中国科大一直在光量子计算的核心资源——多光子纠缠的制备与操纵上处于国际领先水平。在此基础上，中国科大实现了首个超越早期经典计算机能力的光量子计算原型机。2020年，中国科大构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据公开报道的最优经典算法，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比当时最快的超级计算机“富岳”快十万倍。这一成果使得我国成功达到了“量子计算优越性”里程碑，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。2021年潘建伟团队成功研制出“九章二号”2021年，中国科大研究团队进一步实现了113光子的“九章二号”，并实现了相位可编程功能。根据目前已公开的最优化经典算法，“九章二号”处理高斯玻色取样问题的速度比最快的超级计算机快一百亿倍，较76光子的“九章”提升了十万倍。超导量子计算实现赶超目前，美国谷歌公司、IBM公司以及中国科大等机构在全球超导量子计算研究处于领先优势。2019年10月，在持续重金投入量子计算10余年后，谷歌正式宣布实验演示了“量子计算优越性”。谷歌构建了一个包含53个超导量子比特的量子处理器，命名为“Sycamore（悬铃木）”，在随机线路采样这一特定任务上，展现出远超超级计算机的计算能力。值得指出的是，根据我国学者近期提出的张量网络算法，经典计算机求解谷歌“悬铃木”处理的随机线路采样任务预计仅需数十秒（“悬铃木”需要200秒）。目前我国学者正在经典超算上验证这一算法，一旦验证成功，谷歌宣称的“量子计算优越性”将不复存在。2021年5月，中国科大构建了当时国际上量子比特数目最多的62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现了可编程的二维量子行走。在此基础上，中国科大进一步实现了66比特的“祖冲之二号”。

✦量子科话公众号正式上线运行✦✦✦✦✦量子科话是由合肥国家实验室和中国科学院量子信息与量子科技创新研究院共同主办的科学微平台，于2023年3月4日正式上线运行。量子科话面向热爱科学、关心科技发展的公众，介绍量子科技领域重要前沿研究进展和国内外相关发展动态，对公众关注的科学问题提供客观的解读，助力加深公众对量子科技的认识，感受量子世界的奥妙。量子科话的主要内容包括：一、【成果发布】：介绍合肥国家实验室和中国科学院量子信息与量子科技创新研究院取得的最新重要科技成果。二、【前沿动态】：介绍量子科技领域国内外重要研究、产业、政策动态，帮助您把握量子科技的最新发展态势。三、【量子科学问与答】：对公众关注的量子科技相关热点问题提供客观的解读，欢迎点击菜单栏“我要提问”留下您的问题。