潘建伟及其团队研发了什么量子技术

1. 潘建伟及其团队研发了什么量子技术

中国科学技术大学潘建伟院士团队近日成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机 “祖冲之号”，宣告全球最大量子比特数的超导量子体系的诞生。

量子计算机原型机发布后，我国首个可操纵的超导量子计算机体系“祖冲之号”问世。该成果将为促进中国在超导量子系统上实现量子优越性奠定了技术基础，也为后续具有重大实用价值的通用量子计算的研发提供支持。中国科学技术大学潘建伟院士团队近日成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机 “祖冲之号”，宣告全球最大量子比特数的超导量子体系的诞生。这篇名为《在可编程二维62比特量子处理器上的量子行走》的论文5月7日发表在《科学》杂志。

量子计算机是全球科技前沿的重大挑战之一，也是世界各国角逐的焦点。超导量子计算已成为最具希望的候选者之一，它的核心目标是增加 “可操纵” 的量子比特数量，通过提升操纵精度来实现落地应用。祖冲之号” 可操纵的超导量子比特多达62个，而此前谷歌实现 “量子优越” 的“悬铃木”53个量子比特。研究团队在大尺度晶格上首次实现了量子行走的实验观测，并实现对量子行走构型的精准调控，构建了可编程的双粒子量子行走。

2. 潘建伟及其团队研发了什么量子技术

潘建伟及其团队研发了量子计算机技术。
1、科研综述
2022年8月，中国科学技术大学潘建伟及其同事包小辉、张强等，将长寿命冷原子量子存储技术与量子频率转换技术相结合，采用现场光纤在相距直线距离12.5公里的独立量子存储节点间建立纠缠。

2022年，中国科学技术大学潘建伟团队与上海技物所、新疆天文台等单位合作，在国际上首次实现了百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验时间传递稳定度达到飞秒（千万亿分之一秒）量级，可满足目前最高精度光钟的时间传递要求。

2、学术论著
根据2022年7月中国科学技术大学官网显示，潘建伟在《Nature》《Science》《PNAS》和《Physical Review Letters》等重要国际学术期刊上发表论文180余篇，并受国际权威综述期刊《Reviews of Modern Physics》邀请先后撰写关于多光子纠缠实验和现实条件下量子通信安全性的综述论文。
3、成果奖励
根据2022年7月中国科学技术大学官网显示，潘建伟曾获国家自然科学一等奖等奖项。

3. 潘建伟团队又一个国际首次，为量子领域奠定基础，外国学者称赞

说起量子力学，很多人都认为这是一个神秘的领域，普通人难以接触。但中国却有一群科学家却整天钻研着这些晦涩难懂的东西，并且取得了价值不菲的成就，而这其中的代表，就是“中国量子力学之父”潘建伟。而近日，潘院士与他的团队再立新功，又获得了一个国际首次。
  
 据媒体报道，来自中国 科技 大学的消息，中国量子学领域的顶级科学家潘建伟院士与其团队在国际上首次提出椭圆微腔耦合实现确定性偏振单光子的理论方案，并在窄带和宽带两种微腔上成功实验实现了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源，为量子领域多项技术奠定了科学基础。
  
 潘建伟院士作为中国前沿的科学家，为不少人熟知，但是更多的人对于潘院士的理论成果并不熟悉，甚至光听描述都会懵圈，毕竟量子领域一直给人一种神秘感，很难去抽象的理解，很多人也对单光子源也感到摸不着头脑，那么它到底有什么用呢？
  
 
  
 单光子源目前至少在三个方面有着大用处：
  
 首先是量子加密技术的必然要求。所谓的量子加密，就是利用力学的原理，传送秘密钥匙。相比于传统加密方式，量子加密技术会让你的私人信息更加安全，你的移动设备遭到窃听或者密码被截获的可能性要大大降低，而现有的窃听技术几乎对量子加密无解。
  
 其次，进行线性量子计算需要用到单光子源。我们计算器进行数据处理，都会用上计算，而量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态，从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力，也能使计算器发挥更大的功效。
  
 此外，高性能的单光子源能够对各种探测光学的仪器定义标准。如同度量衡一般，光学仪器对物体的探测也需要一个标准，而越是高性能的单光子源，越能让仪器的精度标准提升。
  
 
  
 ​单光子源在量子领域的作用如此之大，但是它却并非如此的稳定。科学家进行量子力学的研究已有一个多世纪，而其中所遇到的种种困难，很多都是来源自单光子源。实际上量子并不喜欢单独行动，它们更愿意三五成群“抱团”行动，而正是因为很难让单个量子隔离出来，这也使得在量子学研究时，经常能得到不同标准，而且科学家发现，单光子源往往比成团的光子更有效果。
  
 在多光子的情况下，必然导致量子加密技术的安全性降低，同时也会减少量子传输的速度与距离，如同狭窄的跑道上挤满选手，使得选手们都发挥不出实力。而潘建伟团队的这项研究意义，便在于他们寻找到高性能的单光子源，这使得量子技术的突破有了一个新的基础。
  
 量子力学是一门高深的技术，虽然很多人并不了解这些，但是这确实现代化 科技 必要的一项技能，因此也很难有直观的感受。好在我们拥有许多像潘建伟院士一样的人才，为中国打开量子领域的大门。潘建伟团队再攀量子高峰，让外国学者也夸赞不已，甚至直言“必须学习中国的新科学研究，不过这之前要先学中文了。”（子文）

4. 我国量子技术领跑全球，潘建伟团队再曝好消息：破解世界级难题

5. 潘建伟教授用什么量子科学?

墨子号。
墨子号量子科学实验卫星（简称墨子号），于2016年8月16日1时40分，在酒泉用长征二号丁运载火箭成功发射升空。此次发射任务的圆满成功，标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。
中国量子卫星首席科学家潘建伟院士介绍，如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”，那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”。当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就，海量信息将在其中来去如影，并且“无条件”安全。
2017年1月18日，中国发射的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了4个月的在轨测试任务，正式交付用户单位使用。中国科学技术大学、中科院等单位相关领导在交付使用证书上签字。
2019年1月31日，被授予2018年度克利夫兰奖。中国研究人员2019年2月14日在美国华盛顿说，“墨子号”量子科学实验卫星预计将超出预期寿命、继续工作至少2年以上，并展开更多国际合作。



2001年，31岁的潘建伟从欧洲回国，在中科大组建了量子信息实验室。2003年，当大多数人仍致力于在实验室内部的原理性演示时，潘建伟和同事们已经萌生了“天地一体化”量子通信网的初步构想，“量子科学实验卫星”正是这个构想中的关键节点。
“工欲善其事，必先利其器”。围绕这一远景目标，潘建伟团队开始了十余年的技术积累。他带领团队在自由空间量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态实验等方面不断取得国际领先的突破性成果。
2005年，潘建伟团队在世界上第一次实现13公里自由空间量子通信实验，证实光子穿透大气层后，其量子态能够有效保持，从而验证了星地量子通信的可行性。

6. 潘建伟：下一个量子突破将在五年后发生

  光子盒研究院出品 
    最近，   中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等和西班牙塞维利亚大学Adán Cabello教授合作，   首次实验排除实数形式的标准量子力学。研究人员利用超高精度超导量子线路实现确定性纠缠交换，以超过43个标准差的实验精度证明了实数无法完整描述标准量子力学，确立了复数的客观实在性。 
        2月3日，西班牙《国家报》[1]报道了对潘建伟院士和Adán Cabello教授的采访。  
    报道首先回顾了这项中国和西班牙团队合作的研究。去年，一组研究人员在《自然》杂志上[2]提出了一个想法，即基于实数的量子理论的替代方案可以通过实验被证伪。这是量子领域的顶尖科学家潘建伟提出的一项挑战，塞维利亚大学的物理学家Adán Cabello参与了这项挑战。他们的联合研究证明了“复数(例如-1的平方根)在标准量子力学中不可或缺的作用。”这些结果使得使用这种技术的计算机的开发取得了进展，根据Cabello的说法，“在以前无法进入的领域测试量子物理。” 
    现年51岁的潘建伟1987年毕业于中国科学技术大学，维也纳大学博士研究生，他领导着世界上规模最大、最成功的量子研究团队之一，被诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek称为“自然的力量(a force of nature)”。潘建伟在维也纳大学的论文导师、物理学家Anton Zeilinger补充道：“没有潘建伟，我无法想象量子技术的出现。” 
    潘建伟在这项研究中的领导地位至关重要。他解释说：“这个实验可以被视为两个玩家之间的 游戏 ：实数量子力学和复数量子力学。这个 游戏 是在一个带有四个超导电路的量子计算机平台上进行的。通过发送随机测量基数并测量结果，就可以获得 游戏 分数，该分数是测量基数和测量结果的数学组合。 游戏 规则是，如果 游戏 分数超过7.66分，则排除实数量子力学，我们的工作就是这样。” 
    这个实验由中国科学技术大学和塞维利亚大学合作进行，并被科学杂志《物理评论快报》[2]报道。它旨在回答一个基本问题：复数对于自然的量子力学描述真的有必要吗？结果排除了标准量子物理中只使用实数的替代方案。 
       根据潘建伟的说法：“物理学家用数学来描述自然。在经典物理学中，实数似乎可以完整地描述所有经典现象中的物理现实，而复数只是有时被用作一种方便的数学工具。然而，是否需要复数来代表量子力学的理论仍然是个未知数。我们的结果排除了对自然的实数描述，并确立了复数在量子力学中不可或缺的作用。” 
    Cabello补充道：“这不仅仅是排除一个特定的替代方案，实验的重要性在于，它展示了超导量子比特系统是如何工作的。使我们能够测试量子物理的预测，而这些预测是我们迄今为止进行的实验无法测试的。因为它们需要对几个量子比特进行严格控制。现在我们将能够测试它们。” 
    中国科学技术大学的陆朝阳教授是这项实验的合著者，他说：“量子计算机最有希望的近期应用是量子力学本身的测试和多体系统的研究。”这一发现不仅为量子计算机的发展提供了一条前进的道路，也为在原子和亚原子水平上理解粒子的行为和相互作用提供了一种接近自然的新途径。 
      实现拥有拥有数百万量子比特的计算机的目标还有很长的路要走。然而，中国和西班牙团队的研究结果使得扩大现有量子计算机的用途和理解困扰科学家多年的物理现象成为可能。 
    参考链接： 
    [1]https://english.elpais.com/science-tech/2022-02-03/jian-wei-pan-the-next-quantum-breakthrough-will-happen-in-five-years.html 
    [2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04160-4 
    [3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040403 

7. 再登《Science》! 中科大潘建伟团队新突破，量子计算和模拟向前一步

 一周内两次登上国际科学期刊，中科大潘建伟团队太“忙”了！
   6 月 15 日，《Nature》杂志刊登了潘建伟团队主导的量子通信研究《基于纠缠的千公里级安全量子加密》。
   6 月 18 日，《Science》杂志以“First Release”形式刊登了潘建伟、苑震生在超冷原子量子计算和模拟研究的最新进展，题为“Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices”《在光学晶格中冷却和纠缠超低温原子》。
      雷锋网注：图片截自 Science
   在后者这项研究中，研究人员实验了首次提出的冷却新机制，实验后使系统的熵 降低了 65 倍 ，达到了创纪录的低熵。
   在此基础上，研究团队在光晶格中 首次实现了 1250 对原子高保真度纠缠态的同步制备，保真度为 99.3%。 
   
   在量子计算领域，量子纠缠被视为核心资源，随纠缠比特数目的增长，量子计算的能力也将呈指数增长。
   因此， 大规模纠缠态的制备、测量和相干操控成为了量子计算研究的核心问题。 
   通常情况下，实现大规模纠缠态要先同步制备大量纠缠粒子对，再通过量子逻辑门操作将其连接形成多粒子纠缠。
   由此， 高品质纠缠粒子对的同步制备是实现大规模纠缠态的首要条件。 
   在实现量子比特的物理体系中，由于具备良好的可升扩展性和高精度的量子操控性，光晶格超冷原子比特和超导比特被视为最可能率先实现规模化量子纠缠的系统。
   早在 2010 年，中科大研究团队就与德国海德堡大学展开了合作，对基于超冷原子光晶格的可拓展量子信息处理展开联合攻关。
   研究人员开发了具有自旋依赖特性的超晶格系统，形成了一系列并行的双阱势。
   不仅如此，每个双阱势用光场产生了有效磁场梯度，结合微波场，实现了对超晶格中左右格点及两种原子自旋等自由度的高保真度量子调控。
   据量子物理和量子信息研究部的说法，在早期研究中，研究团队使用 Rb-87 超冷原子制备了 600 多对保真度为 79% 的超冷原子纠缠态并使用该体系调控特殊的环交换相互作用产生四体纠缠态，模拟了拓扑量子计算中的任意子激发模型。
   但由于 晶格中原子的温度偏高，使其填充缺陷大于 10%， 不利于形成更大的多原子纠缠态和提升纠缠保真度。
   因此，光晶格超冷原子比特系统需要进一步提升。
   
   论文指出，研究团队首次提出了新制冷机制，即利用交错式晶格结构将处在绝缘态的冷原子浸泡到超流态中，通过绝缘态和超流态之间高效率的原子和熵的交换，以超流态低能激发的形式存储系统中的热量，再用精确的调控手段移除超流态，从而获得低熵的填充晶格。
   基于此，研究人员在一个具有 10000 个原子的量子模拟器展开了实验。在二维平面上，研究人员将莫脱绝缘体样品浸泡在可移动的超流体储层中使其冷却。
      雷锋网注：图为光晶格中原子冷却的示意图
   结果显示，制冷后使系统的熵达到了创纪录的低熵， 降低了 65 倍 ，不仅如此， 晶格中原子填充率大幅提高到 99.9% 以上，达到近乎完美的程度。 
   在这一制冷基础上，研究人员进一步推进研究。
   研究人员开发了两原子比特高速纠缠门，最终 获得了纠缠保真度为 99.3% 的 1250 对纠缠原子。 
   对此，研究人员表示，其研究为 探索 低能量多体相提供了一个环境，使产生大规模的纠缠更具可能性。
   另外，对于这一研究结果，《Science》杂志的审稿人给与了正面评价：
   
   超冷原子量子计算和模拟研究之所以能取得新突破，离不开以潘建伟、苑震生为主导的研究团队，而从其过往的研究经历来看，二位来头不小。
    潘建伟 
      潘建伟，有“量子之父”之称，是“墨子号”的首席科学家。主要从事量子物理和量子信息等方面的研究，是国际上量子信息实验研究领域开拓者之一，同时也是该领域具有重要国际影响力的科学家。
   虽然一周连登两次国际期刊，但潘建伟的高光，远不止如此；不仅多次登上国际期刊，还屡次创下记录，主要包括：
    苑震生 
      苑震生，中国科学技术大学教授，其研究方向包括超冷原子量子调控、量子光学，以及原子分子物理。
   据量子物理与量子信息研究部官方介绍，苑震生教授在国际权威学术期刊上发表研究论文多达 40 余篇，总引用 2000 次。
   其中包括：
   ·······
   尽管这些“最可爱的人”已取得了许多成就，但他们仍未停歇，不断用新的研究成果刷新着我国在量子计算和模拟的进步。
   期待更多的研究成果的发布，雷锋网也将持续关注。
   参考资料：雷锋网
   【1】https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/17/science.aaz6801
   【2】http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/852
   【3】http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/45

8. 潘建伟团队实现了独立量子存储器间的远距离纠缠，量子储蓄技术难度有多大？

中国科学技术大学潘建伟及其同事包小辉、张强等，将长寿命冷原子量子存储技术与量子频率转换技术相结合，采用现场光纤在相距直线距离12.5公里的独立量子存储节点间建立纠缠。潘建伟团队实现了独立量子存储器间的远距离纠缠，量子储蓄技术难度有多大？

1、量子储蓄技术难度有多大？
研究结果表明，与纠缠光子相比，多节点之间的原子–光子纠缠可能更适合量子纠缠的远距离传输。本项研究演示了两个相距 50 公里的量子存储器的纠缠，这一距离足以连接两座城市，并比之前报道的距离要远得多，或为实现多节点、远距离纠缠铺平了道路，有助于量子互联网的开发。就像计算机中的硬盘驱动器一样，量子储存器存储量子信息。它们是构建量子互联网的必要部分，并将促进实现超安全的量子通信，允许远程量子计算机一起工作。
2、量子储蓄技术的实用价值
研究团队采用激光冷却的铷原子进行量子存储，其光子波长为795纳米，并不适合在长光纤内传输。采用由济南量子研究院研制的周期极化铌酸锂波导，团队将光子波长转移至1342纳米，极大地降低了光子在长光纤内的衰减。该工作的另一难点在于长寿命量子存储，存储寿命需超过光子传输时间。为此，团队设计了一个新型的光与原子纠缠产生方案，在获得长存储寿命的同时，产生的光子比特编码在时间自由度上，非常适合频率变换以及远距离传输。
3、中国国际量子的地位
本次成果，则确立了中国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，并将为解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定基础。通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，从而解决超级计算机无法胜任的难题，如量子化学、新材料设计、优化算法等。不过，对于本次成果的优越性，潘建伟说：“这是一个动态过程，所有领先都只是暂时的。”

后记：研究团队成功实现了独立存储器间的远距离纠缠。该工作为后续构建多节点量子网络原型系统、进行量子物理检验、探索器件无关量子密钥分发等应用奠定了基础。