两只猫科技潘建伟：已实现255个光子计算原型机，正研制首颗中高轨量子卫星

用户投稿 2025年09月01日 11:52:01 42 0

潘建伟：已实现255个光子计算原型机，正研制首颗中高轨量子卫星

·2020年，76个光子的量子计算原型机“九章”在求解高斯玻色取样的特定问题上，速度是当时最快的经典超级计算机的100万亿倍。近期潘建伟团队已经实现了255个光子的九章3号计算原型机，它针对特定问题的求解能力已经比经典的超级计算机快1000万亿倍。

·当前我们正在研制第一颗中高轨量子卫星，计划2026年前后发射。同时，潘建伟称计划在中高轨卫星上搭载一颗超高精度的光钟，它的稳定度将达到10的-19次方，也就是说一年的误差不超过一秒。

中国科学院院士、中科院量子信息与量子科技创新研究院院长、中国科学技术大学常务副校长潘建伟视频演讲。

“在2020年我们实现了76个光子的量子计算原型机‘九章’，‘九章’在求解高斯玻色取样的特定问题上，速度是当时最快的经典超级计算机的100万亿倍。之后我们的系统进行了不断的升级，近期我们已经实现了255个光子的九章3号计算原型机，它针对特定问题的求解能力已经比经典的超级计算机快1000万亿倍。”5月10日，在澳门举办的第三届BEYOND国际科技创新博览会（BEYOND Expo 2023）上，中国科学院院士、中科院量子信息与量子科技创新研究院院长、中国科学技术大学常务副校长潘建伟介绍了目前量子科技方面的工作和对此领域的未来展望。

潘建伟牵头研制了国际上首颗量子科学实验卫星“墨子号”，建成了国际上首条量子保密通信骨干网“京沪干线”，并构建了首个空地一体的广域量子保密通信网络雏形。

在会上，潘建伟透露，“当前我们正在研制第一颗中高轨量子卫星，计划2026年前后发射。除了要实现量子密钥分发之外，这也为中高轨卫星量子精密测量提供了新的平台。”同时，潘建伟称计划在中高轨卫星上搭载一颗超高精度的光钟，它的稳定度将达到10的-19次方，也就是说一年的误差不超过一秒。

以下为澎湃科技（www.thepaper.cn）整理的潘建伟在BEYOND Expo 2023上的演讲实录：

2022年的诺贝尔物理学奖颁给了3位量子科技领域的先驱，以表彰他们利用纠缠光子实现了贝尔不等式的违背（意味着纠缠粒子对确实是不可分离的整体，无法赋予其中每个粒子单独的局域性质），并因此开创量子信息科学。非常高兴的是，在2022年诺贝尔物理学奖的新闻发布会和科学背景介绍中，都对中国科学家的相关工作进行了重点介绍，包括“墨子号”量子卫星实现星地的密钥分发、地星量子隐形传态以及我们最近的设备无关的量子密钥分发的工作。

为了便于大家理解，首先请允许我对量子叠加原理进行简要介绍。大家都知道，在我们的日常生活中，一只猫在某一个确定的时刻只能处于活或者死状态里面的某一个。然而根据量子叠加原理，在量子事件当中一只猫可以同时处在两种状态。当把量子叠加原理拓展到多粒子体系，我们就可以得到量子纠缠的概念。例如在量子世界当中的两只猫，可以同时处于活和死状态的相关叠加。这种状态就像两个骰子一样，不论它们相距多么遥远，其中一个掷出的点数和另外一个一定是一样的。爱因斯坦将量子纠缠的这种现象称为遥远地点之间的诡异的互动。

在物理上任何两能级的系统（含有两个能级的量子系统）都可以用来构建一个量子比特，比如我们可以用一个光子水平和竖直两种极化状态来编码一个量子比特的信息。对于两光子的量子系统就可以处在四个最大的极化纠缠之中，再通过贝尔不等式来检验量子力学被定义的过程，物理学家从中发展出可对量子系统进行高精度调控的量子技术，从而导致了量子信息科学的诞生。

量子信息科学主要包括两方面的应用：第一，利用量子通讯我们可以提供一种原理上是无条件安全的通讯方式。第二，利用量子计算我们可以大幅度提高运算。

量子密钥分发是最著名的量子通讯协议，可以实现基于单光子的量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD），从而在两个用户之间产生安全的密钥，再结合一次一密，就可以实现无条件安全的信息传输。同时，也可以实现基于量子纠缠的量子密钥分发。

在量子计算当中，人们是利用量子比特来编码信息，利用量子叠加原理实现超快的并行计算，从而在原理上可以达到指数级的加速。大数分解算法是目前最著名的量子算法，比如要分解一个300位的自然数，利用每秒运算万亿次的经典计算机需要15万年，而用同样运算速度的量子计算机则只需要一秒钟。因此量子计算机可以应用在破解经典密码、天气预报、金融分析和药物设计等多个领域。为了实现广义的量子通讯网络，我们可以利用光纤来构建城域量子通讯，利用量子中继来实现两个城市之间的城际量子通讯，在量子卫星平台进一步的帮助下，可以实现远距离的量子通讯。

我国科学家经过近20年的努力，成功研制了世界上首颗量子科学卫星“墨子号”并在2016年8月成功发射。到了2017年9月，远距离光纤量子通讯骨干网——“京沪干线”正式开通。结合“墨子号”和“京沪干线”，我们在广域量子通讯网络雏形的技术上已经初步验证天地一体化的量子网络在原理上可行。而在量子计算方面，实现通用的量子计算机还需要长时间的努力。

为了确保该领域的健康发展，学术界设定了三个发展阶段。

第一个阶段是要实现量子计算的优越性，量子计算系统对某些特定问题的求解速度已经远远超过了经典超级计算机，展现出量子计算本身的优越。第二阶段是构建专用的量子模拟器，用来求解一些经典计算机难以胜任的特定复杂问题，比如高温超导机制等。最后第三阶段的目标是希望在量子纠缠的帮助下，实现通用的可编程量子计算。

在2020年我们实现了76个光子的量子计算原型机“九章”。“九章”在求解高斯玻色取样的特定问题上，速度是当时最快的经典超级计算机的10万倍。之后我们的系统进行了不断的升级，近期我们已经实现了255个光子的933号光量的计算原型机，它针对特定问题的求解能力已经比经典的超级计算机快1000万亿倍。

为了在未来实现全球化的量子通讯，我们需要克服目前卫星量子通讯所面临的难题。一是单颗的低轨卫星没办法直接覆盖全球；二是目前的卫星还只能在低区工作，而相应的解决方案是通过发射多颗低轨卫星来构成一个高效率的卫星网络。也就是说在所谓量子星座的基础上，我们可以发射具有更长过境时间的中高轨卫星，以此来分发更多的密钥。

而这些方案实现的一个根本前提，就是卫星能在太阳辐射的背景下工作。在2017年的时候，我们已经实现在日光背景下的远距离自由空间量子通信的地面实验，验证了量子通讯是全天可行的，实现了实用化、低成本和轻量化的微纳量子卫星。

国际上首颗微纳量子卫星“济南一号”已经在2022年7月发射，它载荷的重量只有20公斤，与“墨子号”相比已经大幅度降低。当前我们正在研制第一颗中高轨量子卫星，计划2026年前后发射。除了要实现量子密钥分发之外，这也为中高轨卫星量子精密测量提供了新的平台。

我们利用中高轨量子卫星实现万公里量级的量子纠缠分发，在未来将借助全球化的纠缠分发将多个原子纠缠起来，从而大幅度提高原子钟的稳定。与此同时，我们计划在中高轨卫星上搭载一颗超高精度的光钟，它的稳定度将达到10的-19次方，也就是说一年它的误差不超过一秒。

利用高精度的光钟和高精度的光频标的传输，就可以实现全球化的高精度提升，相比当前微波受损的准确度可以提高4个数量级，为新一代的秒定义提供了相应的技术支撑。在外太空由于磁场和地球引力的噪声极其微弱，所以在原则上光钟的稳定度可以达到10的-21次方。

利用超高精度的光钟和超高精度的光频传输，我们可以在外太空构建一个干涉仪，利用干涉仪开展一些物理学基本原理的检验，包括暗物质的探测和引力波的探测等等。

在量子计算领域，我们希望在未来的5年可以达到对数百个量子比特的相关操纵，构建专用的量子模拟器能帮助我们理解一些复杂物理系统规律，如高温超导的机理，量子霍尔效应等等。通过10至15年的努力，我们希望能够操纵上百万个量子比特，并实现量子纠缠，初步构建可编程的通用量子计算机。

两只猫咪

我，一个普普通通的打工人，每天过着上班下班的单调生活，最大的乐趣就是回家路上逗逗小区里的流浪猫。那天，我照常走在回家路上，突然天空乌云密布，一道闪电“咔嚓”一声就劈了下来。我当时心里还想着：“这雷可真够响的。”结果下一秒，我就两眼一黑，啥都不知道了。

等我再有点意识的时候，感觉浑身毛茸茸的，我还迷迷糊糊地想：“我这是掉毛毡堆里了？”努力睁开眼一看，好家伙，周围的一切都变得巨大无比。我再瞅瞅自己的“手”，毛茸茸的小爪子，还有一条不停晃悠的尾巴。我居然变成了一只猫！这可把我吓得够呛，“喵呜”一声就叫了出来。

就在我六神无主的时候，听到旁边两只猫咪在对话。一只橘猫说：“嘿，这新来的咋傻乎乎的，不会是被雷劈傻了吧？”另一只花猫接话：“谁知道呢，说不定过两天就自己走了。”我这才反应过来，我变成猫了还能听懂猫语。我赶紧凑过去跟它们说：“两位大哥大姐，我不是傻，我是被雷劈了才变成这样的，你们知道怎么能变回去吗？”这俩猫上下打量我，橘猫说：“听说有个神秘的女巫，住在西边那片危险的森林里，她或许有办法，不过那地方可危险着呢。”

听到有办法变回人，我心里燃起了一丝希望。可这俩猫说得也吓人啊，那森林危险得很。但我也没别的办法，总不能一辈子当猫吧。我心里琢磨着，先不管多危险，得去试试。我决定顺着西边的方向找找那片森林。

刚开始找森林的时候，我真是状况百出。以前当人习惯了，现在变成猫，四条腿走路都走不利索，老是摔跟头。看到路边有个小水洼，我还以为是镜子，凑过去想看看自己现在啥模样，结果“噗通”一声就掉进去了，浑身湿哒哒的，别提多狼狈了。

好不容易走出这个小插曲，我又遇到了一只大黑狗。这狗看到我就汪汪叫，追着我跑。我哪跑得过它啊，吓得我赶紧爬到树上。那狗就在树下一直叫，我骑在树上瑟瑟发抖，心里骂道：“你这死狗，我又没惹你，追我干啥！”等那狗走了，我才敢下来，继续往西走。

走着走着，我遇到了一只白猫，这白猫看起来挺友善的。我跟它说了我的遭遇，它居然愿意陪我一起去找森林。白猫跟我说：“我知道那片森林的大致方向，我带你去。”我心里那个感动啊，想着终于有个靠谱的伙伴了。

在和白猫一起走的路上，我发现了一个奇怪的现象。只要我看到一些圆形的东西，比如石头、果子啥的，就忍不住想去扑一下。我问白猫为啥，白猫说：“这很正常啊，咱们猫看到圆的东西就想玩，这是本能。”我心里那个无语啊，这什么破本能，我可不想老是被这本能牵着走。

走着走着，我们终于看到了那片森林。森林看起来阴森森的，树木又高又密，透着一股神秘的气息。刚走进森林没多远，就听到一阵“沙沙”的声音。我和白猫紧张地四处张望，突然从草丛里窜出一只大老虎。这老虎张着血盆大口，冲着我们就吼了一声。我当时吓得腿都软了，差点直接瘫在地上。

白猫还算镇定，小声跟我说：“别慌，咱们慢慢往后退。”我们小心翼翼地往后退，可这老虎哪肯轻易放过我们，一步步逼近。就在这千钧一发之际，我突然看到旁边有个大树洞。也不管里面有没有危险了，我拉着白猫就往树洞里钻。老虎在树洞外面转了几圈，吼了几声，就走了。

我和白猫从树洞里出来，心还“砰砰”直跳。继续往森林里面走，又遇到了各种奇怪的生物。有会说话的鹦鹉，这鹦鹉一直围着我们转，还不停地说：“迷路啦，迷路啦！”烦得我想把它抓住塞嘴里。还有长得像刺猬但又会喷火的怪家伙，要不是跑得快，估计我俩都得被烧成“猫干”。

一路上折腾得够呛，白猫突然跟我说它好像感觉到女巫就在这附近了。正说着呢，一个声音传来：“小家伙们，找我何事呀？”我们转头一看，一个穿着奇装异服，戴着尖尖帽子的老太婆站在那，不用说，肯定就是女巫了。

我赶紧跑过去，把我的遭遇一五一十地跟女巫说了，求她把我变回人。女巫围着我转了好几圈，一边看一边念叨：“被雷劈成猫，这倒是新鲜事。不过要变回去，可没那么容易。”我一听，心凉了半截，忙问：“那怎么办呀，女巫奶奶，您就行行好，帮帮我吧！”

女巫嘿嘿一笑说：“办法嘛，倒是有。森林深处有一颗魔法水晶，你得把它给我带回来，我就帮你变回人。不过这魔法水晶周围有重重机关，还有守护兽，你确定要去？”我咬咬牙说：“我去，再难我也得试试。”

白猫劝我说：“这太危险了，要不咱们再想想别的办法？”可我哪还有别的选择啊，一心只想变回人，就跟白猫说：“你在这等我，我一定能拿到水晶。”

于是，我独自一人朝着森林深处走去。越往里走，周围的环境越诡异。地上的花草都泛着奇怪的光，时不时还有一些黑影闪过。突然，我看到前面有个大坑，坑上面架着几根细细的木头，看样子是要从这走过去。我小心翼翼地踩上去，刚走没两步，一根木头“咔嚓”一声断了，我整只猫差点掉进大坑里。还好我反应快，用爪子死死抓住旁边的木头，才没掉下去。

好不容易过了大坑，又遇到了一只巨大的蜘蛛。这蜘蛛浑身毛茸茸的，腿比我身子都粗。它看到我，就吐着丝朝我扑过来。我左躲右闪，蜘蛛的丝到处乱缠，把周围的树都缠得乱七八糟。我瞅准一个机会，捡起一块石头，朝着蜘蛛的眼睛砸过去。这一下还真凑效，蜘蛛被砸得“嗷嗷”叫，落荒而逃。

继续往前走，终于看到了那颗魔法水晶。水晶散发着耀眼的光芒，漂亮极了。可还没等我高兴多久，一只巨大的狮子出现在我面前。这狮子威风凛凛的，眼神里透着一股凶狠。它冲着我大声咆哮，震得我耳朵都快聋了。

我心里害怕极了，但想着只要拿到水晶就能变回人，就硬着头皮跟狮子对峙。狮子一步步朝我逼近，我突然灵机一动，想起之前看到过猫咪在地上打滚撒娇能让人类心软，我就学着在地上滚来滚去，还“喵呜喵呜”地叫着。这狮子一开始还一脸懵，看着我打滚，居然慢慢放下了警惕，凑过来闻了闻我。

我趁机赶紧跑到水晶旁边，一把抱起水晶就跑。狮子这才反应过来，在后面追我。我一路狂奔，也不知道哪来的力气，总算是摆脱了狮子，跑回了女巫那里。

女巫看到我拿着水晶回来，满意地点点头说：“不错不错，小家伙还挺有本事。”说着，她挥动手中的魔杖，嘴里念着奇怪的咒语。一道光芒闪过，我感觉身体一阵发热，等光芒消失，我发现自己终于变回人了。

我激动得差点哭出来，对白猫和女巫千恩万谢。女巫笑着说：“这次经历也算是给你的一个教训，以后可得小心点。”

从森林出来后，我回到了自己的家。经过这次神奇的经历，我发现自己整个人都变了。以前总是抱怨生活无聊，现在觉得能平平安安当个人，哪怕生活平淡点也是幸福的。而且我和小区里的流浪猫关系更好了，因为我现在真的能听懂它们说话啦，经常给它们带好吃的，听它们讲那些奇奇怪怪的猫世界故事。我的生活从此变得有趣多了，再也不是那个只会上班下班的无聊打工人咯！