如今，中国在量子信息领域的多个方面都领跑世界，如星地量子通信和光学量子计算。但回望三十年前，我们国内的量子研究几乎是一片空白。

        中国最早引起国际学术界关注的量子信息成果来自我在中国科学技术大学的老师郭光灿和他的学生段路明。二人于1997年提出段-郭量子避错码，不久后又贡献了量子概率克隆段-郭界限。后来，段路明又在量子通信和量子计算领域作出许多重要贡献。

        2018年，段路明从密歇根大学回到清华大学交叉信息研究院工作。2023年，他当选中国科学院院士。2024年，他和团队实现高达300个离子量子比特规模的量子模拟计算。同年，段路明获得由量子通信、测量与计算国际大会（ICQCMC）颁发的国际量子奖。

        若要了解中国在量子领域怎样实现了从0到1的突破，段路明院士就是最佳采访对象。

        Q：很多人都听说过量子，但实际上很少有人能真正了解这一概念。请问您平时是怎样向公众介绍量子领域的？

        A：

        直觉上，量子确实距离我们很远。可以这么说，世界由无数极其微小的粒子构成，它们通常被称为“微观粒子”，而量子科学则是一门关于微观粒子的基本特性的科学。微观粒子包括光子、原子、电子等，与我们日常所见的粒子特性迥异。它除了具备粒子性质，还呈现波动性。

        关于波动性，我举个例子。如果往池塘里扔两个石头，形成的两个波会相互干涉——我们称其为“相干性”。因为微观粒子有量子相干性，所以多个微观粒子之间存在一种很强的关联形式。这种关联被称作“量子纠缠”，在经典世界里见不到。

        过去几十年间，人们发现量子纠缠在信息处理方面蕴藏巨大潜力。如果用微观粒子编码信息、开展计算，我们能实现超快速的计算并以此解决许多重大问题。这就是量子计算。如果用量子编码信息、传输信息，我们可以建立一种安全的信息传输方式。这就是量子密码通信。以量子为载体，还可实现某些高精度的测量，即量子精密测量。

        量子计算、量子通信和量子测量是当前量子科学研究的三大主要方向。当然，我们现在的量子研究相较早期而言有差别。早期工作旨在理解量子特性；现阶段的量子信息科技研究则重点关注“如何通过量子的特性来操控量子”。

        Q：很多人说量子信息就是“第二次量子革命”。

        A：

        两次量子革命最核心的区别在于对量子纠缠的理解和操控。大家都在讲量子纠缠很难操控，但我们似乎不会深入谈论“量子纠缠为什么难操控”。最根本的原因实际上是——量子纠缠太容易产生了。

        Q：此话怎讲？该怎样去理解“很难操控是因为极易产生”？

        A：

        任何一个粒子，只要与外界相互作用，都会产生纠缠。可以说，纠缠是无时无处不在产生的。自然产生的纠缠都是不可控的，我们称不可控的纠缠为“噪声”，而我们一般谈论的“量子纠缠”是可控的纠缠。量子纠缠与噪声本质上是同一个东西，或者说，是一体的两面，就像硬币正反面。科学和工程所需的不是噪声，而是可预测、可测量、可利用的可控纠缠——这要求极为严苛的实验环境。

        Q：许多年前，我读研时就听说过您的大名。那时在郭光灿老师的量子光学课上，他提到了您与他一起做的“段-郭量子避错码”以及“量子概率克隆段-郭界限”。可否具体解释一下这两个概念呢？

        A：

        1994年到1998年间，我正在读研究生。那时候的量子信息、量子计算这类领域还“默默无闻”。郭老师和我都是做量子光学出身的，比较关注诸如“光的相干性”之类的概念。我们最早切入的一个方向是“相干性的损失”——这也是当时大家为实现量子计算而要解决的最大困难。

        该怎样保持光的相干性呢？我们研究出一种方法，通过特定的编码实现了较高水平的相干性保持。我们将这种编码称为“相干保持态编码”，后来又管它叫“量子避错编码”。这在当时成为（包括现在仍是）一种比较有影响力的克服量子系统错误的方式。

        量子概率克隆与量子密码通信有一定关联。量子密码通信为什么安全？主要原因在于一个最基本的定理，即量子态不可克隆。此概念在1980年代就为人所知。到了1990年代，大家主要研究如何跳出量子不可克隆定理的约束。当时国际上的研究大多退而求其次：既然做不到完美的克隆，那就做尽可能近似的克隆吧。但我们还是想做到完美克隆。

        此类尝试不可能每次都成功，但成功时所获得的结果堪称完美。我们由此也能得出那个实现完美克隆的最高成功概率——这就是段-郭界限。

        Q：我此前读过《量子计算和量子信息》。似乎这本著名教材所引用的唯二来自中国科学家的成果，就是段-郭量子避错码和段-郭界限。是这样吗？

        A：

        是的。早期我国的科研影响力不如现在，在国际上有影响的成果就是这两个。

        Q：您后来还做出一项重要成果，叫作“DLCZ量子中继方案”。可否介绍一下这个方案的详情？

        A：

        实现量子通信（包括量子互联网）的最大困难来自距离。

        光要通过光纤传输，光信号经过十几公里光纤的传播会衰减得很快。实际上经典通信中也存在距离问题，但它能相对轻松地克服障碍，因为经典信号可以放大。量子通信则面临一个根本性的困难，即量子信号永远是一个单光子的信号，不可克隆、不可放大。这使得量子通信具有保密性的优点，但难以实现长距离通信。

        为达成目标，我们要借助量子中继（通过纠缠和量子态传输实现量子通信距离的扩展），这样通信问题就变成了纠缠产生的问题。原则上，只要有长距离的纠缠，就可以实现长距离的通信。但实现长距离量子纠缠是一项艰巨的挑战。

        我将整个过程分成多段，每段长十几公里，且都实现量子纠缠，放在一个量子存储器中，然后连接起每段量子纠缠，就得到了一个完整的长距离量子纠缠。接着，我们再证明这种方式不会有指数衰减，只需付出相对小的代价——线性衰减或多项式衰减。

        我们的解决方案出来后，引起国际上很多研究团队的兴趣，他们大都在做相关工作。目前我国科学界在量子通信领域的最主要目标就是实现量子中继。实际上，无论是美国还是中国，都将实现量子中继视作最重要且最困难的目标。

        Q：您提出的这套DLCZ方案是全球首个量子中继方案吗？

        A：

        可以认为这是第一个完整的方案。量子中继的概念很早就已被提出，但早期方案距离真正的实验工作相去甚远。

        我们在2001年提出DLCZ方案后，大家才看到了付诸实验的可行性。2003年，来自加州理工学院和哈佛大学的两个实验组各自独立开展了量子中继的第一步实验，且都在《自然》（Nature）杂志上发表了文章。

        Q：您觉得量子中继什么时候能进入现实应用阶段？

        A：

        过去二十年间，关于量子中继的诸多核心概念、难点都在实验室里得到了一些演示、证实。现在最主要的任务是整合各部分。

        量子中继的早期工作相当于“打地基”，是不为外人所见的部分，能看见的只是量子中继依然比不上直接通信。但我们知道，只要打好了地基，只要把第一个纠缠连接做好，余下的内容水到渠成。我认为，量子中继在未来五到十年间会出现比较重大的突破。

        Q：您还提出过所谓“基于二维阵列和光子网络互联的规模化量子计算方案”。可以对这块内容做一下介绍吗？

        A：

        离子量子计算一直是量子计算中最具影响力的方案之一。其中最困难的部分是如何将系统做大。针对这部分难点，2004年，我们提出通过光量子互联来实现量子系统的规模化。2014年左右，我们又提出了二维阵列的理论方案。不过同行们觉得这些方案很难做，后来我们就在清华大学组建团队，自己开展实验。

        2024年，我们取得重大突破，并于《自然》杂志发表论文介绍了最新成果，这也是目前国际上最大规模的量子模拟系统。

        Q：所以你们真正的突破是从一维到二维，可以这样认为吗？

        A：

        可以这么说。在此之前，最大的量子模拟系统也仍局限于一维，且只有五十多个量子比特。大家都在一维上做文章，像我们这样大规模的量子模拟系统之前从未在二维上实现。

        Q：为什么这类系统普遍都是一维的？为什么不做高维体系？如果达到二维甚至三维，系统拥有的量子比特数目不就大大增加了吗？

        A：

        这实际上与离子阱的特殊性质有关。离子阱的基本原理是通过电磁场将离子囚禁，这个过程借助了“Paul阱”这一特殊设计。Paul阱是一种主流的离子阱类型，但它有特殊之处：通常离子在其中只能排成一列；一旦把它变成二维或三维体系，离子就会出现某些很奇怪的运动，即所谓“微运动”。

        过去专家总觉得微运动不可控制，是一种很大的噪声，因此无法进行量子计算。是我们最先从理论上证明：在如此噪声情况下，仍能做到高保真的量子计算。这是理论上的一个突破。

        在实验中，一维体系易于稳定，二维体系很难稳定。因此我们制定了一些可提高系统整体稳定性的实验方法，包括采用特定的低温离子阱。可以说，将低温阱与如此大规模的离子囚禁相结合的工作，是由我们首创的。目前我们实验室能做到一千多个离子的稳定囚禁。

        鉴于上述种种，我们的量子系统规模相较传统提升巨大。这套方案的影响力也很大，如今国际上很多团队都照此开展工作。

        Q：我发现您是学界罕见的在量子信息理论和实验两方面都有杰出贡献的科学家。请问您是怎样做到这一切的？

        A：

        在回清华大学以前，我是美国密歇根大学的费米讲席教授。费米是一位非常伟大的物理学家，一位难得的既精通理论又擅长实验的全才。我曾担任以他命名的教职，当然要向他学习。（对话双方笑声爽朗）

        实际上，从奥地利因斯布鲁克大学的访问之旅开始，我就一直很关注理论和实验的结合。我们做的大量工作都属于“理论派”，但这些理论与实验结合得非常紧密。我们也会非常频繁地与“实验派”讨论。

        所以，我们理解实验，也能发现实验的问题究竟出在哪儿，还能结合实验情况与理论思想，并通过这样的结合获得某些突破性的想法。理论与实验的结合点往往就是创新点，也是我们作为导师指导学生做实验的着力点。导师有能力针对实验瓶颈发现问题所在、指出探索方向，学生团队就能更有信心地不断向前摸索，实验技术也会逐渐积累成熟。最终，我们可以收获实验上的突破。

        Q：这让我想起任正非曾说过的一句话，大意就是要让听得到炮火声的人决策。

        A：

        物理终究是一门实验的科学。若想将理论与实验紧密结合，一方面，理论要给得出“素材”，另一方面，研究者必须接近实验系统，了解实验室最关心的问题是什么。

        Q：量子计算可通过多种物理体系来实现，比如超导、光学、冷原子、离子阱、核磁共振等。我国在超导和光学方面都取得了很知名的成果。关于量子计算的技术路线，每一派都说自己的路线是最佳路线。中科大的陆朝阳教授提过一个很有趣的观点：量子计算机的各个学派很可能不会如经典计算机领域的前辈那般，最后都收敛至一个物理体系；结局或许是不同物理体系各自适应不同问题，行业呈现百花齐放的局面。

        A：

        这是很可能出现的情况。举例来说，量子互联网研究的核心目标之一是将不同的量子计算机和量子实验平台连在一起，让它们发挥各自的优势。而实现这一目标的方法就包括前面介绍的光互联。

        常被我们用于量子计算的比特（如超导比特），可与光子比特（或者说“飞行比特”）相连。以光子为媒介，各种不同的物理体系都有望实现连接，比如我们现在所连接的离子和原子体系。我们下一步的计划是尝试把离子和金刚石，包括超导体系，连接在一起。

        Q：请问您为什么选择离子阱？它相比其他技术路线有何优劣势？

        A：

        放眼全球，离子量子计算的方案一直有着广泛影响力。但在这方面，过去国内的工作相较国外的优秀成果，是存在较大差距的。不过经过多年发展，我们不再是跟跑者了，尤其是二维离子阱体系的实现，让我们在规模这一指标上远超美国团队的系统。从不同指标上看，可以说大家各有千秋。

        Q：在离子阱这个方向，哪些指标我们与国外存在差距？

        A：

        最核心的指标就两个：一是规模，即比特数量；二是逻辑门的保真度。

        规模上，我们已经较大幅度地领先国外了。在保真度方面，目前是美国的一个研究团队独占鳌头，做出了高达99.9%的保真度。这个数值放到所有技术体系里去对比都为最高。

        Q：它比超导体系的还高！怪不得人们乐于做离子阱体系，因为它在保真度方面有优势。关于下一步的研究工作，您有何打算？

        A：

        下一步工作中，我们认为最重要的目标是实现规模化的量子计算。在我看来，这也是整个领域里最为核心的目标。

        怎样实现规模化的量子计算？首先，我们需要继续提高体系内的量子比特数。现阶段，我们可以实现几百、上千个量子比特的规模，但这相较终极目标仍有很大差距。无论采用何种体系，我们都要达到百万量子比特以上——这相当于一台通用的量子计算机。我们期待，这个足够大的系统能服务科研和工业应用，成为一款基本工具。

        另一方面，我们希望中国能在量子计算机领域取得更多突破，做出更多尖端、核心的技术，避免遭遇过往经典计算那样被“卡脖子”的困境。

量子计算无疑是颠覆性的技术，不过它距离成熟和大规模应用还比较遥远。我们要有耐心。

        Q：这让我想起了比尔·盖茨的名言：我们经常高估了今后一、两年内将发生的变革，但又常常低估了今后10年内将要发生的变化。

        A：

        长期来讲，一项颠覆性的技术终将带来变革。以人工智能（AI）为例：AI技术经历了很长时间的发展，但公众可能不太关注前期的漫长积累；而当AI的拐点真正到来时，迅速发生的技术变革影响了整个人类社会。

        我们希望量子计算机的那个拐点尽快到来。

        Q：如果量子信息实现大规模应用，它能给世界带来怎样的变化？

        A：

        我们身处信息社会。经典计算机是很聪明的信息处理工具；人类的大脑同样也是很聪明的信息处理工具；现在和未来的AI，是越来越聪明的信息处理工具。

        从原理上讲，量子计算堪称最聪明的信息处理方法。可以用数学证明，没有其他计算工具比量子图灵机更强大。

        在未来发展的过程中，我们可能会发现量子计算机的更多新应用，就像前人在经典计算机浪潮中所经历的那样：当经典计算机仍处于早期阶段时，大众没能预料到它日后将带来如此广泛的应用。对于2020年代的我们而言，手机已经很普遍了，但是如果回到一百年前，要创造这样复杂的机器，几乎是不可能的事情。

        现阶段，我们认为首先得把量子计算机这种“魔法机器”造出来。如果成功，未来它会有广泛应用的空间。

        Q：您认为量子信息领域亟待攻克的核心问题是什么，或者说，它的下一个锚点在何处？

        A：

        实现量子计算的规模化。

        原文转载自：https://mp.weixin.qq.com/s/v1A421sA3p50TGuRGv--UQ

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