段路明院士：中國量子信息如何從0到1到無窮| 錨點(diǎn)

設(shè)置星標(biāo)★關(guān)注，從此你的世界多點(diǎn)科學(xué)~

錨點(diǎn)

INTERVIEW

如今，中國在量子信息領(lǐng)域的多個方面都領(lǐng)跑世界，如星地量子通信和光學(xué)量子計(jì)算。但回望三十年前，我們國內(nèi)的量子研究幾乎是一片空白。

中國最早引起國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的量子信息成果來自我在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的老師郭光燦和他的學(xué)生段路明。二人于1997年提出段-郭量子避錯碼，不久后又貢獻(xiàn)了量子概率克隆段-郭界限。后來，段路明又在量子通信和量子計(jì)算領(lǐng)域作出許多重要貢獻(xiàn)。

2018年，段路明從密歇根大學(xué)回到清華大學(xué)交叉信息研究院工作。2023年，他當(dāng)選中國科學(xué)院院士。2024年，他和團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)高達(dá)300個離子量子比特規(guī)模的量子模擬計(jì)算。同年，段路明獲得由量子通信、測量與計(jì)算國際大會（ICQCMC）頒發(fā)的國際量子獎。

若要了解中國在量子領(lǐng)域怎樣實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破，段路明院士就是最佳采訪對象。

段路明

中國科學(xué)院院士

Q：很多人都聽說過量子，但實(shí)際上很少有人能真正了解這一概念。請問您平時是怎樣向公眾介紹量子領(lǐng)域的？

A：

直覺上，量子確實(shí)距離我們很遠(yuǎn)。可以這么說，世界由無數(shù)極其微小的粒子構(gòu)成，它們通常被稱為“微觀粒子”，而量子科學(xué)則是一門關(guān)于微觀粒子的基本特性的科學(xué)。微觀粒子包括光子、原子、電子等，與我們?nèi)粘Ｋ姷牧Ｗ犹匦藻漠悺Ｋ司邆淞Ｗ有再|(zhì)，還呈現(xiàn)波動性。

關(guān)于波動性，我舉個例子。如果往池塘里扔兩個石頭，形成的兩個波會相互干涉——我們稱其為“相干性”。因?yàn)槲⒂^粒子有量子相干性，所以多個微觀粒子之間存在一種很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)形式。這種關(guān)聯(lián)被稱作“量子糾纏”，在經(jīng)典世界里見不到。

過去幾十年間，人們發(fā)現(xiàn)量子糾纏在信息處理方面蘊(yùn)藏巨大潛力。如果用微觀粒子編碼信息、開展計(jì)算，我們能實(shí)現(xiàn)超快速的計(jì)算并以此解決許多重大問題。這就是量子計(jì)算。如果用量子編碼信息、傳輸信息，我們可以建立一種安全的信息傳輸方式。這就是量子密碼通信。以量子為載體，還可實(shí)現(xiàn)某些高精度的測量，即量子精密測量。

量子計(jì)算、量子通信和量子測量是當(dāng)前量子科學(xué)研究的三大主要方向。當(dāng)然，我們現(xiàn)在的量子研究相較早期而言有差別。早期工作旨在理解量子特性；現(xiàn)階段的量子信息科技研究則重點(diǎn)關(guān)注“如何通過量子的特性來操控量子”。

Q：很多人說量子信息就是“第二次量子革命”。

A：

兩次量子革命最核心的區(qū)別在于對量子糾纏的理解和操控。大家都在講量子糾纏很難操控，但我們似乎不會深入談?wù)摗傲孔蛹m纏為什么難操控”。最根本的原因?qū)嶋H上是——量子糾纏太容易產(chǎn)生了。

Q：此話怎講？該怎樣去理解“很難操控是因?yàn)闃O易產(chǎn)生”？

A：

任何一個粒子，只要與外界相互作用，都會產(chǎn)生糾纏。可以說，糾纏是無時無處不在產(chǎn)生的。自然產(chǎn)生的糾纏都是不可控的，我們稱不可控的糾纏為“噪聲”，而我們一般談?wù)摰摹傲孔蛹m纏”是可控的糾纏。量子糾纏與噪聲本質(zhì)上是同一個東西，或者說，是一體的兩面，就像硬幣正反面。科學(xué)和工程所需的不是噪聲，而是可預(yù)測、可測量、可利用的可控糾纏——這要求極為嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

Q：許多年前，我讀研時就聽說過您的大名。那時在郭光燦老師的量子光學(xué)課上，他提到了您與他一起做的“段-郭量子避錯碼”以及“量子概率克隆段-郭界限”。可否具體解釋一下這兩個概念呢？

A：

1994年到1998年間，我正在讀研究生。那時候的量子信息、量子計(jì)算這類領(lǐng)域還“默默無聞”。郭老師和我都是做量子光學(xué)出身的，比較關(guān)注諸如“光的相干性”之類的概念。我們最早切入的一個方向是“相干性的損失”——這也是當(dāng)時大家為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算而要解決的最大困難。

該怎樣保持光的相干性呢？我們研究出一種方法，通過特定的編碼實(shí)現(xiàn)了較高水平的相干性保持。我們將這種編碼稱為“相干保持態(tài)編碼”，后來又管它叫“量子避錯編碼”。這在當(dāng)時成為（包括現(xiàn)在仍是）一種比較有影響力的克服量子系統(tǒng)錯誤的方式。

量子概率克隆與量子密碼通信有一定關(guān)聯(lián)。量子密碼通信為什么安全？主要原因在于一個最基本的定理，即量子態(tài)不可克隆。此概念在1980年代就為人所知。到了1990年代，大家主要研究如何跳出量子不可克隆定理的約束。當(dāng)時國際上的研究大多退而求其次：既然做不到完美的克隆，那就做盡可能近似的克隆吧。但我們還是想做到完美克隆。

此類嘗試不可能每次都成功，但成功時所獲得的結(jié)果堪稱完美。我們由此也能得出那個實(shí)現(xiàn)完美克隆的最高成功概率——這就是段-郭界限。

Q：我此前讀過《量子計(jì)算和量子信息》。似乎這本著名教材所引用的唯二來自中國科學(xué)家的成果，就是段-郭量子避錯碼和段-郭界限。是這樣嗎？

A：

是的。早期我國的科研影響力不如現(xiàn)在，在國際上有影響的成果就是這兩個。

Q：您后來還做出一項(xiàng)重要成果，叫作“DLCZ量子中繼方案”。可否介紹一下這個方案的詳情？

A：

實(shí)現(xiàn)量子通信（包括量子互聯(lián)網(wǎng)）的最大困難來自距離。

光要通過光纖傳輸，光信號經(jīng)過十幾公里光纖的傳播會衰減得很快。實(shí)際上經(jīng)典通信中也存在距離問題，但它能相對輕松地克服障礙，因?yàn)榻?jīng)典信號可以放大。量子通信則面臨一個根本性的困難，即量子信號永遠(yuǎn)是一個單光子的信號，不可克隆、不可放大。這使得量子通信具有保密性的優(yōu)點(diǎn)，但難以實(shí)現(xiàn)長距離通信。

為達(dá)成目標(biāo)，我們要借助量子中繼（通過糾纏和量子態(tài)傳輸實(shí)現(xiàn)量子通信距離的擴(kuò)展），這樣通信問題就變成了糾纏產(chǎn)生的問題。原則上，只要有長距離的糾纏，就可以實(shí)現(xiàn)長距離的通信。但實(shí)現(xiàn)長距離量子糾纏是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

我將整個過程分成多段，每段長十幾公里，且都實(shí)現(xiàn)量子糾纏，放在一個量子存儲器中，然后連接起每段量子糾纏，就得到了一個完整的長距離量子糾纏。接著，我們再證明這種方式不會有指數(shù)衰減，只需付出相對小的代價——線性衰減或多項(xiàng)式衰減。

我們的解決方案出來后，引起國際上很多研究團(tuán)隊(duì)的興趣，他們大都在做相關(guān)工作。目前我國科學(xué)界在量子通信領(lǐng)域的最主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)量子中繼。實(shí)際上，無論是美國還是中國，都將實(shí)現(xiàn)量子中繼視作最重要且最困難的目標(biāo)。

Q：您提出的這套DLCZ方案是全球首個量子中繼方案嗎？

A：

可以認(rèn)為這是第一個完整的方案。量子中繼的概念很早就已被提出，但早期方案距離真正的實(shí)驗(yàn)工作相去甚遠(yuǎn)。

我們在2001年提出DLCZ方案后，大家才看到了付諸實(shí)驗(yàn)的可行性。2003年，來自加州理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的兩個實(shí)驗(yàn)組各自獨(dú)立開展了量子中繼的第一步實(shí)驗(yàn)，且都在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了文章。

Q：您覺得量子中繼什么時候能進(jìn)入現(xiàn)實(shí)應(yīng)用階段？

A：

過去二十年間，關(guān)于量子中繼的諸多核心概念、難點(diǎn)都在實(shí)驗(yàn)室里得到了一些演示、證實(shí)。現(xiàn)在最主要的任務(wù)是整合各部分。

量子中繼的早期工作相當(dāng)于“打地基”，是不為外人所見的部分，能看見的只是量子中繼依然比不上直接通信。但我們知道，只要打好了地基，只要把第一個糾纏連接做好，余下的內(nèi)容水到渠成。我認(rèn)為，量子中繼在未來五到十年間會出現(xiàn)比較重大的突破。

Q：您還提出過所謂“基于二維陣列和光子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的規(guī)模化量子計(jì)算方案”。可以對這塊內(nèi)容做一下介紹嗎？

A：

離子量子計(jì)算一直是量子計(jì)算中最具影響力的方案之一。其中最困難的部分是如何將系統(tǒng)做大。針對這部分難點(diǎn)，2004年，我們提出通過光量子互聯(lián)來實(shí)現(xiàn)量子系統(tǒng)的規(guī)模化。2014年左右，我們又提出了二維陣列的理論方案。不過同行們覺得這些方案很難做，后來我們就在清華大學(xué)組建團(tuán)隊(duì)，自己開展實(shí)驗(yàn)。

2024年，我們?nèi)〉弥卮笸黄疲⒂凇蹲匀弧冯s志發(fā)表論文介紹了最新成果，這也是目前國際上最大規(guī)模的量子模擬系統(tǒng)。

Q：所以你們真正的突破是從一維到二維，可以這樣認(rèn)為嗎？

A：

可以這么說。在此之前，最大的量子模擬系統(tǒng)也仍局限于一維，且只有五十多個量子比特。大家都在一維上做文章，像我們這樣大規(guī)模的量子模擬系統(tǒng)之前從未在二維上實(shí)現(xiàn)。

Q：為什么這類系統(tǒng)普遍都是一維的？為什么不做高維體系？如果達(dá)到二維甚至三維，系統(tǒng)擁有的量子比特數(shù)目不就大大增加了嗎？

A：

這實(shí)際上與離子阱的特殊性質(zhì)有關(guān)。離子阱的基本原理是通過電磁場將離子囚禁，這個過程借助了“Paul阱”這一特殊設(shè)計(jì)。Paul阱是一種主流的離子阱類型，但它有特殊之處：通常離子在其中只能排成一列；一旦把它變成二維或三維體系，離子就會出現(xiàn)某些很奇怪的運(yùn)動，即所謂“微運(yùn)動”。

過去專家總覺得微運(yùn)動不可控制，是一種很大的噪聲，因此無法進(jìn)行量子計(jì)算。是我們最先從理論上證明：在如此噪聲情況下，仍能做到高保真的量子計(jì)算。這是理論上的一個突破。

在實(shí)驗(yàn)中，一維體系易于穩(wěn)定，二維體系很難穩(wěn)定。因此我們制定了一些可提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)方法，包括采用特定的低溫離子阱。可以說，將低溫阱與如此大規(guī)模的離子囚禁相結(jié)合的工作，是由我們首創(chuàng)的。目前我們實(shí)驗(yàn)室能做到一千多個離子的穩(wěn)定囚禁。

鑒于上述種種，我們的量子系統(tǒng)規(guī)模相較傳統(tǒng)提升巨大。這套方案的影響力也很大，如今國際上很多團(tuán)隊(duì)都照此開展工作。

Q：我發(fā)現(xiàn)您是學(xué)界罕見的在量子信息理論和實(shí)驗(yàn)兩方面都有杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。請問您是怎樣做到這一切的？

A：

在回清華大學(xué)以前，我是美國密歇根大學(xué)的費(fèi)米講席教授。費(fèi)米是一位非常偉大的物理學(xué)家，一位難得的既精通理論又擅長實(shí)驗(yàn)的全才。我曾擔(dān)任以他命名的教職，當(dāng)然要向他學(xué)習(xí)。（對話雙方笑聲爽朗）

實(shí)際上，從奧地利因斯布魯克大學(xué)的訪問之旅開始，我就一直很關(guān)注理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。我們做的大量工作都屬于“理論派”，但這些理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合得非常緊密。我們也會非常頻繁地與“實(shí)驗(yàn)派”討論。

所以，我們理解實(shí)驗(yàn)，也能發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的問題究竟出在哪兒，還能結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況與理論思想，并通過這樣的結(jié)合獲得某些突破性的想法。理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合點(diǎn)往往就是創(chuàng)新點(diǎn)，也是我們作為導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的著力點(diǎn)。導(dǎo)師有能力針對實(shí)驗(yàn)瓶頸發(fā)現(xiàn)問題所在、指出探索方向，學(xué)生團(tuán)隊(duì)就能更有信心地不斷向前摸索，實(shí)驗(yàn)技術(shù)也會逐漸積累成熟。最終，我們可以收獲實(shí)驗(yàn)上的突破。

Q：這讓我想起任正非曾說過的一句話，大意就是要讓聽得到炮火聲的人決策。

A：

物理終究是一門實(shí)驗(yàn)的科學(xué)。若想將理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，一方面，理論要給得出“素材”，另一方面，研究者必須接近實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，了解實(shí)驗(yàn)室最關(guān)心的問題是什么。

Q：量子計(jì)算可通過多種物理體系來實(shí)現(xiàn)，比如超導(dǎo)、光學(xué)、冷原子、離子阱、核磁共振等。我國在超導(dǎo)和光學(xué)方面都取得了很知名的成果。關(guān)于量子計(jì)算的技術(shù)路線，每一派都說自己的路線是最佳路線。中科大的陸朝陽教授提過一個很有趣的觀點(diǎn)：量子計(jì)算機(jī)的各個學(xué)派很可能不會如經(jīng)典計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的前輩那般，最后都收斂至一個物理體系；結(jié)局或許是不同物理體系各自適應(yīng)不同問題，行業(yè)呈現(xiàn)百花齊放的局面。

A：

這是很可能出現(xiàn)的情況。舉例來說，量子互聯(lián)網(wǎng)研究的核心目標(biāo)之一是將不同的量子計(jì)算機(jī)和量子實(shí)驗(yàn)平臺連在一起，讓它們發(fā)揮各自的優(yōu)勢。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法就包括前面介紹的光互聯(lián)。

常被我們用于量子計(jì)算的比特（如超導(dǎo)比特），可與光子比特（或者說“飛行比特”）相連。以光子為媒介，各種不同的物理體系都有望實(shí)現(xiàn)連接，比如我們現(xiàn)在所連接的離子和原子體系。我們下一步的計(jì)劃是嘗試把離子和金剛石，包括超導(dǎo)體系，連接在一起。

Q：請問您為什么選擇離子阱？它相比其他技術(shù)路線有何優(yōu)劣勢？

A：

放眼全球，離子量子計(jì)算的方案一直有著廣泛影響力。但在這方面，過去國內(nèi)的工作相較國外的優(yōu)秀成果，是存在較大差距的。不過經(jīng)過多年發(fā)展，我們不再是跟跑者了，尤其是二維離子阱體系的實(shí)現(xiàn)，讓我們在規(guī)模這一指標(biāo)上遠(yuǎn)超美國團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)。從不同指標(biāo)上看，可以說大家各有千秋。

Q：在離子阱這個方向，哪些指標(biāo)我們與國外存在差距？

A：

最核心的指標(biāo)就兩個：一是規(guī)模，即比特數(shù)量；二是邏輯門的保真度。

規(guī)模上，我們已經(jīng)較大幅度地領(lǐng)先國外了。在保真度方面，目前是美國的一個研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)占鰲頭，做出了高達(dá)99.9%的保真度。這個數(shù)值放到所有技術(shù)體系里去對比都為最高。

Q：它比超導(dǎo)體系的還高！怪不得人們樂于做離子阱體系，因?yàn)樗诒Ｕ娑确矫嬗袃?yōu)勢。關(guān)于下一步的研究工作，您有何打算？

A：

下一步工作中，我們認(rèn)為最重要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的量子計(jì)算。在我看來，這也是整個領(lǐng)域里最為核心的目標(biāo)。

怎樣實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的量子計(jì)算？首先，我們需要繼續(xù)提高體系內(nèi)的量子比特數(shù)。現(xiàn)階段，我們可以實(shí)現(xiàn)幾百、上千個量子比特的規(guī)模，但這相較終極目標(biāo)仍有很大差距。無論采用何種體系，我們都要達(dá)到百萬量子比特以上——這相當(dāng)于一臺通用的量子計(jì)算機(jī)。我們期待，這個足夠大的系統(tǒng)能服務(wù)科研和工業(yè)應(yīng)用，成為一款基本工具。

另一方面，我們希望中國能在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得更多突破，做出更多尖端、核心的技術(shù)，避免遭遇過往經(jīng)典計(jì)算那樣被“卡脖子”的困境。

量子計(jì)算無疑是顛覆性的技術(shù)，不過它距離成熟和大規(guī)模應(yīng)用還比較遙遠(yuǎn)。我們要有耐心。

Q：這讓我想起了比爾·蓋茨的名言：我們經(jīng)常高估了今后一、兩年內(nèi)將發(fā)生的變革，但又常常低估了今后10年內(nèi)將要發(fā)生的變化。

A：

長期來講，一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)終將帶來變革。以人工智能（AI）為例：AI技術(shù)經(jīng)歷了很長時間的發(fā)展，但公眾可能不太關(guān)注前期的漫長積累；而當(dāng)AI的拐點(diǎn)真正到來時，迅速發(fā)生的技術(shù)變革影響了整個人類社會。

我們希望量子計(jì)算機(jī)的那個拐點(diǎn)盡快到來。

Q：如果量子信息實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，它能給世界帶來怎樣的變化？

A：

我們身處信息社會。經(jīng)典計(jì)算機(jī)是很聰明的信息處理工具；人類的大腦同樣也是很聰明的信息處理工具；現(xiàn)在和未來的AI，是越來越聰明的信息處理工具。

從原理上講，量子計(jì)算堪稱最聰明的信息處理方法。可以用數(shù)學(xué)證明，沒有其他計(jì)算工具比量子圖靈機(jī)更強(qiáng)大。

在未來發(fā)展的過程中，我們可能會發(fā)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的更多新應(yīng)用，就像前人在經(jīng)典計(jì)算機(jī)浪潮中所經(jīng)歷的那樣：當(dāng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)仍處于早期階段時，大眾沒能預(yù)料到它日后將帶來如此廣泛的應(yīng)用。對于2020年代的我們而言，手機(jī)已經(jīng)很普遍了，但是如果回到一百年前，要創(chuàng)造這樣復(fù)雜的機(jī)器，幾乎是不可能的事情。

現(xiàn)階段，我們認(rèn)為首先得把量子計(jì)算機(jī)這種“魔法機(jī)器”造出來。如果成功，未來它會有廣泛應(yīng)用的空間。

Q：您認(rèn)為量子信息領(lǐng)域亟待攻克的核心問題是什么，或者說，它的下一個錨點(diǎn)在何處？

A：

實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的規(guī)模化。

袁嵐峰

《錨點(diǎn)》科學(xué)對談人

-本文刊載于《世界科學(xué)》雜志2026年第1期“錨點(diǎn)”專欄，該專欄由《世界科學(xué)》編輯部和東方衛(wèi)視《錨點(diǎn)》節(jié)目組聯(lián)合開發(fā)；《錨點(diǎn)》系列節(jié)目由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副主任袁嵐峰研究員主持-

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