中国量子计算如何实现超越？对话“量子鬼才”陆朝阳

不久前，在中国科学技术大学的一间实验室中，诞生了中国最新一代的光量子计算机——九章四号。在这样一台光量子计算机面前，在特定问题上传统计算机的计算速度已经被远远甩在了身后。中国科学技术大学教授、知名量子计算专家，陆朝阳是该项目研究团队的核心领军人物之一。

量子计算潜在的巨大威力，很多年前，量子技术的发展就已经成为国家间的战略博弈。谁在量子计算上领先一步，谁就可能在未来几十年的全球竞争中占据主动。

陆朝阳：最早量子计算这个概念是费曼提出来的，他在1981年就提出这个概念，他说量子计算机可以做得比经典计算机更快，但是一直是处于这种概念、一个空想。我们想要攻克的目标，就是在他提出这个概念四十年之后，我们终于可以造出一个实实在在的工程样机，我可以摆在桌面上，你给它一个数学问题，它比经典计算机算得快。

2014年，美国谷歌公司投入十亿美元，集中数百名的科学家，宣布将用五年时间制造出世界上首台量子计算机。当时，31岁的陆朝阳带领着一个十几人的团队，也在朝着同样的目标行进。

陆朝阳：我们的经费大概是几千万元人民币，团队就是十个人左右，我们的研究生，95后为主。

记者：这么少的人，这么点钱，你能做什么事？

陆朝阳：我们路线跟它选的不一样，我们当时第一个路线不是用的超导量子比特，我们用的是光子，在这个领域国内已经有很强的积累了。

光子技术路线的选择，开始于中国科学院院士潘建伟，他在2000年代初从欧洲回国，带领团队开始深耕光子纠缠技术。2000年考入中科大物理学专业的陆朝阳，则在大三的时候，决定了自己未来的专业方向。

记者：为什么当时选择的是量子物理？

陆朝阳：因为量子满足了我对科学研究所有的幻想。一方面，量子力学在过去一百年里面已经催生了包括半导体、晶体管、激光在内这样一些发明。它相关催生的产值占全球GDP的至少三分之一；另外一方面，它又很前沿，有很多开放的疑问。我觉得量子很好地融合了顶天和立地这两个梦想，当时对我来说特别合适。

保送研究生之后，导师潘建伟布置给了陆朝阳一项高难度任务——把实验平台升级到具备操纵六光子纠缠的能力。在此之前，五光子纠缠是中国科学技术大学潘建伟团队在2004年首次实现的。

记者：从五个光子到六个光子，到底这是一个什么性质的变化？

陆朝阳：五个光子的时候，相当于是二的五次方，等于三十二这么一个空间，到六个光子就变成六十四了，直接就翻倍了。

今天，九章四号实现了3050个光子的控制，但20年前，量子技术仍处于从0到1的探索阶段，从五个光子到六个光子的进步，是一项艰巨的任务。

记者：看到它、捕捉到它，有多难这件事？

陆朝阳：一个从无到有的过程是非常困难的。因为第一，你不知道它在什么地方产生，我们只有一个通过理论计算的大致方位判定。这个时候同时你还要探测两个，所以两个探测器都在一个未知的角度，就像在黑暗中摸索，直到找到了那条正确的信号，给我们正反馈之后，我才能得到最后我们想要的结果。

通过近两年的努力，陆朝阳和团队成功制备了六光子纠缠态，而且在同一个实验装置中巧妙地实现了可用于量子计算的簇态。这项工作发表在2007年2月的《自然·物理学》上，入选两院院士评选的2007年中国科技十大进展新闻。

2008年，陆朝阳进入剑桥大学卡文迪许实验室攻读博士，其间，他在国际上首次实现单电子状态的光学测量，为量子计算解决了一个基础性难题，成果发表在《自然》杂志上。2011年初，他收到了剑桥大学丘吉尔学院的青年研究员教职邀请，但却在博士论文答辩完成一周之后，随即回国，成为中国科学技术大学最年轻的正教授。

记者：为什么你不在一个深厚的研究水平的地方继续研究，而是要回到这来从零、什么都没有的这么一个地方，你为什么做这个选择？

陆朝阳：如果我待在英国，可能在最早的五到十年可能会更加顺利，会更加容易去做这个事情，就跟你刚刚说的，他们有更好的条件，但从长远来说会有天花板。

记者：长远的天花板是什么？

陆朝阳：因为其实做科研，站在我们科学家背后的，其实是整个国家的力量。在这一块，因为量子信息技术跟国家的信息安全、跟算力是紧密相关的，所以中国必须发展这个技术，之后我们整个发展的前景和能够做到的事情会越来越多，会越来越大，会越来越好。从我小时候到我读中学、到大学、到出国，我看到了我们整个国家的发展是非常蓬勃、非常积极向上的，这个给了我很大信心。同时我2008年到英国的时候，正好当时我们北京奥运会（举办）了，所以作为留学生，当时在国外看奥运会，我们的心情比在国内很多同学要激动得多，我们都特别为国家感到骄傲。

回国后，陆朝阳和同事们搭建了半导体量子光源实验室，2012年做出国际最高品质的单光子源，首次在国际上解决这一领域重要的两个参数，为中国量子计算在做最基础的准备。2015年，陆朝阳和同事们又实现另一项重要突破——“多自由度量子隐形传态”，这是构建量子计算机的又一块基石。此时，谷歌公司的五年计划正在稳步进行中。

记者：你是80后，你的学生是90后甚至00后，哪来的这种紧迫感还有动力？因为和老一辈的成长年代完全不一样。

陆朝阳：我们这一代人因为得益于国家的发展，所以我们更多的是平视世界，我们会觉得去超越欧美的很多科学目标、科学的发展水平，是一件特别自然的事情，就是我们自己本身应该有的使命，到我们这一代之后，就是应该去超越他们。

2019年12月，谷歌宣布了他们在量子计算方面取得的成果：五十三个量子比特的系统可以在两百秒内解决当时世界最快超级计算机需要1万年才能完成的计算问题。

陆朝阳：那个时候压力很大，熬夜到两三点是很平常的事情，甚至我们在采数据的时候，我们团队整整有三十个小时都没有休息。因为我们最初的这个装置，要把它调试好，参量变量特别多，那段时间我们整个团队大家的心都是绷着的，其他事情都提不起我们的兴趣。

谷歌宣布成功一年后的2020年12月，中国科学家团队正式推出并在《科学》期刊发表了“九章”光量子计算机，其在计算速度、功耗、性价比等方面超过了谷歌之前的结果。

记者：为什么要用霸权这个词来形容科学的发现？

陆朝阳：量子霸权这个学术名词，就是说量子计算机完成这个任务，是经典超级计算机在几亿年的时间里面都没法完成的，他们把它叫作量子霸权。后来我们发表文章的时候，用的是量子计算优越性，后来国际学术界也慢慢采用了我们的这个名词，量子霸权这个词慢慢就少了。

记者：那你为什么不沿用它的量子霸权，而用量子计算优越性这样一个相对中和的词？

陆朝阳：我们希望在这方面体现我们中国文化的传统，我们非常友好、爱好和平，不希望去炒作一些学术上的名词。

记者：你做的这个科学研究，它算是基础科学还是应用科学？

陆朝阳：您这个问题问得特别好。量子计算在早期的时候，在我们做到十个光子之前，是非常基础的研究；后来我们用九章这种新的方法之后，你可以看到光子进步的速度越来越快，已经开始慢慢从基础研究过渡到了应用研究和工程化、集成攻关这么一个阶段。

中国的九章光量子计算机出来后，迅速成了世界各大实验室研究的目标和对象。

陆朝阳：反应最大的是美国的国家技术标准局和加拿大的一个机构，叫作仙乐都量子计算的初创公司。他们联合起来用我们这个路线，中间有段时间又反超了我们，后来又被我们的九章三号给反超了。因为这个目标太重要了，所以它是一个非常激烈的你追我赶这么一个竞争的过程。

激烈的竞争中，迭代升级成为必然选择。2023年10月，九章三号量子计算原型机出世，它在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当时最强的超级计算机“前沿”花费超过二百亿年的时间。如今随着九章四号的上线，量子计算的速度再次被提升到前所未有的高度。

陆朝阳：在光量子计算机领域，我们国家应该说是国际的领跑者，而且我们建立了最强的量子计算优越性这么一个标准，其他国家只有加拿大和美国，他们一个联合小组做了同样的目标，其他国家还没有做到这么一个里程碑的目标。

因对量子计算从基础研究到应用技术的贡献，陆朝阳先后获得多项国内和国际的大奖，入选《自然》“中国科学之星”，被国际同行誉为“量子鬼才”。

记者：科学研究对你来说魅力在哪儿？

陆朝阳：科学研究的魅力，还是回到我最初说的顶天立地。我们会有机会去发现一些新的现象、新的规律、新的技术，这会给我们带来非常大的满足感。我发展的技术，也许某一天可以应用于我们国家的需要或者应用于国民经济，这个也是一个特别好的事情。我是一个老师，看着这些年轻人，从最开始来我们实验室的时候特别懵懂的一些少年，后来成为独当一面的青年科学家，这个也会给我们带来非常大的满足感。