潘建伟：量子计算研究是一个高度复杂的工作， 对于学术界而言， 还是要循序渐进， 实现一个个阶段性的目标 。 国际学术界公认的量子计算发展有几个里程碑阶段——
第一个里程碑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超级计算机， 这需要相干操纵约50个量子比特 。 2019年谷歌实现的量子计算原型机“悬铃木”就包含53个超导量子比特， 在求解随机线路采样问题上超越了超级计算机， 也就是成功实现了量子计算优越性 。 但是， 求解随机线路采样目前看来还没有现实意义， 现在的量子计算原型机更像是一个“玩具”， 只能在玩某一个游戏方面击败经典计算机， 它的重要意义在于， 证明了量子计算机是可以超越经典计算机的 。
第二个里程碑是实现专用量子模拟机， 即相干操纵数百个量子比特， 用于解决若干超级计算机无法胜任的实用问题， 例如量子化学、新材料设计、优化算法等 。 到这个时候， 量子计算机才真正开始有用， 变成一个“工具” 。 我们希望能够在5—10年内实现这样的量子模拟机， 这是当前的主要研究任务 。
第三个里程碑是实现可编程的通用量子计算机， 即相干操纵至少数百万个量子比特， 同时将量子比特的操纵精度提高到超越容错阈值（>99.9%）， 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 。 到了这一阶段， 量子计算机可能就和我们现在观念中的计算机差不多了， 可以用来快速解决很多问题 。 不过， 由于技术上的巨大挑战， 何时实现通用量子计算机尚不明确， 学术界一般认为还需要20年甚至更长的时间 。
科技日报采访人员：前不久， 您的团队构建了76个光子的量子计算原型机“九章”， 据媒体报道， 其可以在1分钟内实现超级计算机1亿年才能完成的任务 。 您认为， 我国的量子计算正处于什么阶段？
潘建伟：根据现有的最优经典算法， “九章”处理高斯玻色取样问题的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快100万亿倍， 标志着我国也成功达到了量子计算优越性的里程碑， 且“九章”的等效速度比谷歌的“悬铃木”快100亿倍左右 。
除了“九章”代表的光量子体系， 超冷原子和超导线路也是公认最有可能率先实现大规模量子比特相干操控的物理体系 。 在超导量子计算方面， 我国近期也有望实现超越谷歌的“量子计算优越性” 。 在超冷原子体系中， 我国在规模化原子纠缠的制备与操纵， 对自旋轨道耦合、超冷分子反应等的量子模拟方面取得了系列重要成果， 这为实现超冷原子体系的专用量子模拟机奠定了基础 。
离子、硅基量子点等物理体系同样具有多比特扩展和容错性的潜力， 也是目前国际量子计算研究的热点方向 。 在这些体系的量子计算基本要素方面， 我国积累了大量关键技术， 与国际主要研究力量处于并跑水平 。
此外， 由于拓扑量子计算在容错能力上的优越性， 利用拓扑体系实现通用量子计算机是面向长远的重要研究目标， 目前国内外均在为实现单个拓扑量子比特而努力， 这将是一项“从0到1”的突破 。
调控技术迅速发展 精密测量已经进入量子时代
科技日报采访人员：除上述两大领域外， 量子精密测量也是量子科技非常重要的细分领域， 相比而言， 公众可能对它比较陌生 。 能否请您介绍一下， 量子技术对精密测量的意义？
潘建伟：量子状态对环境高度敏感， 其实就是一个非常灵敏的传感器 。 同时， 物理量的量子化也提供了一个非常精确的基准， 比如光子是光能量的最小单元， 在一定频率下， 一个光子的能量就是固定值， 那么如果我们能够一个个地“数”光子的话， 基本物理量中的发光强度就可以用光子数来定义， 精度和稳定性都会大幅提升 。 这里“数”光子其实就是指量子调控的能力 。
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