在200秒时间内，76个光子穿过中国科学技术大学潘建伟团队精心构筑的光学网络，完成了5000万个样本的高斯玻色采样。而同样一道数学题交给世界上最顶尖的超级计算机，需要6亿年。
这个于12月4日揭开面纱的光量子计算模型机名为“九章”，是世界上第二次达到加州理工学院教授普雷斯基尔提出的“量子霸权”（Quantum supremacy）标准的量子计算实验。“量子霸权”亦称为“量子优越性”（Quamtum advantage），即量子计算机在特定问题上超越世界上性能最好的经典计算机。
事实上，中科院院士潘建伟早在9月份的西湖大学公开课演讲上就曾“剧透”过这一成果。他当时表示：“近期已经完成50个光子的高斯玻色采样，按照现在的初步估计和数据分析，应该能够比谷歌的量子优越性大概快100万倍。”
世界上首个宣布实现量子优越性的是美国谷歌公司。2019年，谷歌使用了53个超导量子比特制作了一台名为Sycamore的处理器，运行随机量子线路进行采样，耗时约200秒可进行100万次采样。而最强超算、 美国橡树岭国家实验室Summit计算机得到同样结果需要花上一年，差距约十亿（10的9次方）倍。
而这次，潘建伟团队构筑的“九章”与顶级超算的差距超过了百万亿（10的14次方）倍。
当然，潘建伟团队的光量子计算机和谷歌的超导量子计算机路径不同，任务也各有所长。玻色采样和随机路线采样分别是两者最擅长的问题，而且目前还不具备实际应用意义。
可以说，量子优越性是以量子计算机之长，比超算之短的“表演赛”，并不意味着经典计算机就要被淘汰了。不过，量子优越性确实是关键的里程碑，为未来量子计算机走向实用性问题奠定基础。
实现量子优越性也需许多理论与工程难题，相关知识技术更是具备丰富的潜在价值。那么，玻色采样究竟是一个怎样的问题？潘建伟团队如何取得了此次突破？
相关论文题为《基于光子的量子计算优越性》（Quantum computational advantage using photons）、于北京时间12月4日03：00发表在世界顶级学术期刊《科学》（Science）上。
论文摘要显示，研究团队将50全同单模压缩态输入100模式超低损耗干涉线路，利用100个高效单光子探测器进行高斯玻色采样，输出态空间维度达到了10的30次方，采样速率比最先进的超级计算机要快上10的14次方倍。
什么是玻色采样？
我们知道，在设计建筑、飞机的时候，工程师们需要用计算机来进行各种计算和模拟。而如果我们要研究的是微观世界的“量子建筑”呢？
其中微观粒子复杂的变化和相互作用，远远超过了经典计算机的能力范围。最好，是用量子的方式来模拟量子问题。
这就是著名物理学家理查德·费曼在1980年代提出的量子计算机构想：“自然不是经典的，如果你想对自然进行模拟，那么你最好把计算机给量子化。”
大家普遍认为，玻色采样就是这样一个适于量子计算机发挥的任务。它是将非经典光输入线性光学网络后，用单光子探测器来探测输出光子的数量、路径和纠缠态，其结果是高度随机的。
我们可以借助研究随机分布的“高尔顿钉板”实验来理解玻色采样。
一颗直径略小于两颗钉子间距的小圆球在钉板上向下滚落，碰到钉子后皆以1/2的概率向左或向右滚下，接着又碰到下一层钉子。如此继续下去，直到从底板的一个出口滚出为止。把许多同样的小球不断从入口处放下，只要球的数目相当大，它们在底板将堆成近似于正态的密度函数图形，即中间高，两头低，呈左右对称的古钟型。
而在玻色采样问题上，全同光子就是小球，分束器就是钉子，线性光学网络就是钉板。当一束光通过分束器时会被分成两束强度较低的光，一束透射，另一束反射。计算在n个全同玻色子经过网络后，特定一种输出结果的概率（例如输入3个光子后，分别在1号、3号、4号“出口”输出），就是玻色采样问题。
科学家们计算后认为，该问题的经典最优解法随着光子数的增加求解步数呈指数上涨。光量子计算机在中小规模下就可以打败超级计算机。
那么，谷歌超导量子计算所进行的随机线路采样也是一个能充分展现量子优越性的问题，光子玻色采样相较之下有何特别？
潘建伟团队论文引述了一种观点，即改进经典算法后，超算只需要数天就能像Sycamore一样进行100万次随机线路采样。这样的话，如果样本数量足够大，比如到了10的10次方的话，入股有足够的存储空间，量子优势将被逆转。
而光量子计算机在玻色采样上就不存在这种依赖于样本大小的漏洞，因为经典算法针对玻色采样存在一个固定的限制。除此之外，光子进行玻色采样可以在室温下工作，不容易受到干扰。
攻克的关卡
根据实际需要，玻色取样逐渐衍生出了各种变体。潘建伟团队此次采用了一种高斯玻色采样变体，它在一些图形问题和量子化学领域有着潜在的应用。高斯玻色采样使用所有处于压缩态的光子，且允许使用更高的抽运功率，使得其同样在事件发生率上具有指数优势。
尽管这是一个为光量子计算机量身定制的挑战，如何将玻色采样的规模放大到一个计算上有意义的区间仍有许多挑战。
论文提到了研究团队需要攻克的五大“关卡”：
首先，它需要单模压缩态同时具备足够高的压缩参数、光子全同性和采集效率；
其次，它需要大型干涉仪同时具备完全连通性、矩阵随机性、近似完美波包重叠和相位稳定，以及近统一传输速率；
第三，它需要对单模压缩态中的所有光子数状态实现相位控制；
第四，它需要高效探测器采集输出分布；
最后，从巨大的输出态空间获得的稀少样本需要被验证，并且表现要与超级计算机形成比较。
为此，潘建伟光量子计算团队已经进行了多年的“打怪升级”。2013年，他们在国际上首创量子点脉冲共振激发，解决了单光子源的确定性和高品质这两个基本问题；2016年， 产生了国际最高效率的全同单光子源，并于2017年初步应用于构建超越早期经典计算能力的针对波色取样问题的光量子计算原型机，其取样速率比国际上当时的实验提高24000多倍。
2019年，中国科大研究组在实验上同时解决了单光子源所存在的混合偏振和激光背景散射这两个最后的难题：成功研制出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源。在此基础上，他们在国际上首次实现了20光子输入60 60模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出态空间维数比国际同行之前的光量子计算实验高百亿倍，逼近量子优越性，完成了临门一脚的预演。
校对：张亮亮
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。
今年6月15日，中国科学家潘建伟团队在量子通讯技术研究上，再次获得世界级突破，相关研究结果也登上了最新一期的《Nature》，取得了举世瞩目的骄人成就。不过在国内，似乎关注的人并不太多，反而西方国家对这一突破 表现出了相当高的关注度。
在这次实验中，潘建伟团队从位于地面以上500公里、人类首颗量子通讯卫星“墨子号”，向位于新疆的两个地面站发射光子，全球首次实现千公里级基于纠缠的无中继量子密钥分发。这次试验的距离是此前类似试验距离的10倍，达到1120公里。外媒评论称，这次试验的成功，意味着中国在人类量子科技发展上取得里程碑式的突破。
量子通讯应用研究为何在近年来受到世界各国的高度重视？这源于一种有趣的物理现象。两个粒子不管相距多远，只要他们建立了相互纠缠的状态，这种状态就会始终保持下去。当对其中一个粒子进行测量造成扰动，另一个粒子的状态也会同步发生改变，这就使得远距离安全通讯成为可能。
当通讯的信息以量子纠缠状态发送出来以后，如有人试图破解或盗取信息内容，必然会扰动这一量子纠缠态， 瞬间会造成通讯的中断，信息归零。科学界认为，这种通讯技术在效率和安全性方面，要比目前的光纤通讯高出上亿倍！这样的技术一旦得以应用，我们国防通讯、商业通讯、民用通讯的安全性和便利性将实现数量级的飞跃！
那么，中国在这场通讯技术研发竞赛中处于什么位置？用美国加州量子技术公司总裁厄尔的话说，“北京远远领先于美国。”这句话并非空穴来风。中国科学家不但在全球首发了量子通讯卫星，还在天-地之间建立了量子通讯链路。
我们的相关研发已进入到量子通讯实际应用的验证阶段，毫不夸张地说，中国是绝对意义上的NO.1。
奇怪的是，我们国内有一部分人天天以学术打假的名义高喊抹黑潘建伟，认为量子通信是一场。但仔细一看就会发现，持这种观点的绝大多数人连薛定谔方程都不会写，甚至把量子力学的基本事实都予以否定。千方百计地想凭借抹黑潘建伟而上位，如此看来孰是孰非一眼便知。
其实早在2017年，潘建伟就被世界顶级期刊《Nature》评为年度科学人物，世界各国的量子通信团队都将潘建伟视为学科发展带头人。不知那些抹黑潘建伟的人 看到6月15日这一被国际同行高度认可的重大突破，还会说些什么？
量子力学的发展确实伴随着大量的矛盾与争议，特别是在量子通信开始发展后，有部分“消息灵通”人士已经洞察了量子通信的“伪科技”本质，并且还再三指责科普量子通信的文章为伪科学站台！这些诘问到底是科学的吗？
量子通信的原理是什么？
量子通信的原理还要问么，不就是量子纠缠么，传说中的量子通信就是将纠缠中的两个量子分开，即使相隔在宇宙的两端，当A粒子的状态发生改变时，B粒子也会随之发生改变，这个通讯速度超越光速，距离再遥远也是即时通信！
听起来完美的量子通信确实应该如此，但事实上我们并不能做到在观察处在量子叠加态的不触发坍缩，所以从理论上来看，这种完美的通信方式是不可能存在的，这是不是人类的技术不够，而是量子世界的客观坍缩理论所决定的！
客观坍缩理论
薛定谔方程的线性性质允许粒子自然地处于几个不同量子态的叠加态，当然它也允许宏观物体处在几个不同量子态的叠加态，但在大自然中从来都没有观察到过这种现象！因为宏观物体永远都会占据一个确定的位置，因此将微观物质的尺寸加大时，它的位置和动量将会被同时确定！
但在微观状态下，这个处于量子叠加的状态是允许存在的，但根据哥本哈根诠释的波函数坍缩假说，在观察动作之后，叠加态会坍缩为可观察量的几个本征态之中的一个本征态，而坍缩至任何一个本征态的概率遵循玻恩定则！
所以很抱歉，根据哥本哈根诠释，这种直接利用纠缠态的量子通信是不存在的。
EPR佯谬
量子通信的最早起源是来自爱因斯坦向波尔反驳量子论不完备的EPR佯谬，爱因斯坦在第六届索尔维会议上的光箱实验被波尔击败，此后他与波多尔斯基和罗森花了数年时间，整出了一个《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗？》的论文，发表在《物理评论》上。
这个思想实验很容易明白：一个不稳定的大粒子衰变为两个小粒子，假设这两种粒子有可能的量子自旋，粒子A为左旋，为了保持守恒，那么另一个小粒子B必定是右旋！然后将两个粒子分开很远，比如几万光年，但我们在观察之前，并不知道哪个是左旋，哪个是右旋！
但当我们观察粒子A时，那么它的波函数瞬间坍缩，随机选择了一种状态，比如说是右旋，那么B粒子必定会变成左旋，那么请问它们是如何保持一致的呢？既然没有超光速通信，因此认为在分开的一瞬间，粒子A和B的左右旋就被确定了！
阿斯派克特实验
但量子论并不是这样解释，而是认为无论相隔多远，在观测之前，它们仍然处在量子叠加态，所以根本不存在什么超光速通讯，叠加态的观测时坍缩，一个随机选择左旋，一个右旋以保持守恒！
这就是后来用他们名字首字母命名的ERP佯谬！
这个EPR佯谬提出后，由于设备局限，所以爱因斯坦尽管处在下风，但他并不认输，真正的试验要到1980年代的法国奥赛理论与应用光学研究所的阿斯派克特试验才被证明是哥本哈根诠释是比较正确的！因为此时爱因斯坦只输了5个标准方差！
后来关于EPR佯谬试验的设备越来越先进，到1998年奥地利因斯布鲁克（Innsbruck）大学的实验时，爱因斯坦输得就有点惨了：30个标准方差！
现在的量子通信到底是什么量子通信？
准确的说，现在的量子通信并不是量子纠缠通信，而是量子加密通信，要了解量子加密通信的话，必须要来了解下BB84协议！
这个协议是查尔斯·贝内特和吉勒·布拉萨在1984年发表的论文中提到的量子密码分发协议，后来以两个人的名字第一个字母+年份，作为了这个经典协议的名字，任意两组共轭状态都可以用此协议，它利用的是光子的偏振态来传输信息，详细描述有些不容易理解，请看下图：
BB84协议
在这个过程中，如果有人窃听，那么窃听者为了光子的偏振态，那么必须做测量，那么会导致秘钥的误码率增加，双方可以约定误码率超过多少时该组秘钥就被废弃！
这种量子通信的方式有一个缺点，必须用一个量子秘钥发送通道和传统数据传输通道，两者必须配合才能正常工作，因此当前研究的也是如何更高效以及更远距离和更少的误码率发送与接收秘钥，但数据仍将通过Internet网来完成！
当然通信除了速率外最终要的指标就是不可破译，传统的秘钥中总是存在各种缺陷，并不能做到100%保密，但量子秘钥不一样，可以发现秘钥被窥视，因此这种秘钥分发的安全性超出想象！
为什么有人再三指责量子通信？
除了网上那些有的没有的指责各种量子通信周边工程配套外，其他主要集中在如何制造出取得单光子的光源，2016年1月14日潘建伟、陆朝阳在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了题为《On-Demand Single Photons with High Extraction Efficiency and Near-Unity Indistinguishability from a Resonantly Driven Quantum Dot in a Micropillar》的论文，物理评论快报上的截图如下：
当然种花家也看不懂这种论文，不过随后美国物理学会的《物理》(Physics）网站以“全能的单光子源”为题刊发了介绍文章，《自然》（Nature）期刊也以“可实用化的单光子源”在其研究亮点栏目作了深入报道，英国物理学会的《物理世界》（Physics World）和美国光学学会的《光学与光子学新闻》（Optics & Photonics News）也做了长篇报道。
潘建伟（右）、陆朝阳
有一点是我们是可以了解的，到今年为止已经接近5年，这种突破性的进展同行评议时效性很强，很快就会有各大科学团体跟进，当然《物理评论快报》的审核也不是吃素的，这种经过将近5年时间考验的论文，也不是一个推销交通方面作品的老兄可以随便推翻的。
其实还有很多站不住脚的观点，但人家很有耐心，堆砌各种文字，看上去很有说服力，不过种花家实在不想一一辩驳，最后送句古诗词给这位老兄“两岸猿声啼不住、轻舟已过万重山”，当大家在这里呱噪时，人家早已发表多篇SCI论文了，假如真有料，不妨也发表几篇？
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。
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】
【2】
【3】
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。
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。
这里存在着一个关键问题，就是说光有没有子，是不是由子构成的。如果说光是首尾一至性的一个整体，那么就不存在啥纠缠叠加态，原本就是首尾一至性，纠缠个啥呢！所谓的纠缠叠加应该是对立性的两个事物，或根本就是一体两面的事情，发生关系，比如生与死，存在于生命本身中，对立吧！所以说生命本身就是纠缠叠加态的，生本身就具备着死亡的种子，因此人的每一秒钟就是即生有死着的，不活不死，又活又死着的，这才是纠缠。光本身就是光，没有对立面，光的对立面的无光，是黑暗，要说纠缠那只能是光与黑暗纠缠。
今年6月15日，中国科学家潘建伟团队在量子通讯技术研究上，再次获得世界级突破，相关研究结果也登上了最新一期的《Nature》，取得了举世瞩目的骄人成就。不过在国内，似乎关注的人并不太多，反而西方国家对这一突破 表现出了相当高的关注度。
在这次实验中，潘建伟团队从位于地面以上500公里、人类首颗量子通讯卫星“墨子号”，向位于新疆的两个地面站发射光子，全球首次实现千公里级基于纠缠的无中继量子密钥分发。这次试验的距离是此前类似试验距离的10倍，达到1120公里。外媒评论称，这次试验的成功，意味着中国在人类量子科技发展上取得里程碑式的突破。
量子通讯应用研究为何在近年来受到世界各国的高度重视？这源于一种有趣的物理现象。两个粒子不管相距多远，只要他们建立了相互纠缠的状态，这种状态就会始终保持下去。当对其中一个粒子进行测量造成扰动，另一个粒子的状态也会同步发生改变，这就使得远距离安全通讯成为可能。
当通讯的信息以量子纠缠状态发送出来以后，如有人试图破解或盗取信息内容，必然会扰动这一量子纠缠态， 瞬间会造成通讯的中断，信息归零。科学界认为，这种通讯技术在效率和安全性方面，要比目前的光纤通讯高出上亿倍！这样的技术一旦得以应用，我们国防通讯、商业通讯、民用通讯的安全性和便利性将实现数量级的飞跃！
那么，中国在这场通讯技术研发竞赛中处于什么位置？用美国加州量子技术公司总裁厄尔的话说，“北京远远领先于美国。”这句话并非空穴来风。中国科学家不但在全球首发了量子通讯卫星，还在天-地之间建立了量子通讯链路。
我们的相关研发已进入到量子通讯实际应用的验证阶段，毫不夸张地说，中国是绝对意义上的NO.1。
奇怪的是，我们国内有一部分人天天以学术打假的名义高喊抹黑潘建伟，认为量子通信是一场。但仔细一看就会发现，持这种观点的绝大多数人连薛定谔方程都不会写，甚至把量子力学的基本事实都予以否定。千方百计地想凭借抹黑潘建伟而上位，如此看来孰是孰非一眼便知。
其实早在2017年，潘建伟就被世界顶级期刊《Nature》评为年度科学人物，世界各国的量子通信团队都将潘建伟视为学科发展带头人。不知那些抹黑潘建伟的人 看到6月15日这一被国际同行高度认可的重大突破，还会说些什么？
量子力学的发展确实伴随着大量的矛盾与争议，特别是在量子通信开始发展后，有部分“消息灵通”人士已经洞察了量子通信的“伪科技”本质，并且还再三指责科普量子通信的文章为伪科学站台！这些诘问到底是科学的吗？
量子通信的原理是什么？
量子通信的原理还要问么，不就是量子纠缠么，传说中的量子通信就是将纠缠中的两个量子分开，即使相隔在宇宙的两端，当A粒子的状态发生改变时，B粒子也会随之发生改变，这个通讯速度超越光速，距离再遥远也是即时通信！
听起来完美的量子通信确实应该如此，但事实上我们并不能做到在观察处在量子叠加态的不触发坍缩，所以从理论上来看，这种完美的通信方式是不可能存在的，这是不是人类的技术不够，而是量子世界的客观坍缩理论所决定的！
客观坍缩理论
薛定谔方程的线性性质允许粒子自然地处于几个不同量子态的叠加态，当然它也允许宏观物体处在几个不同量子态的叠加态，但在大自然中从来都没有观察到过这种现象！因为宏观物体永远都会占据一个确定的位置，因此将微观物质的尺寸加大时，它的位置和动量将会被同时确定！
但在微观状态下，这个处于量子叠加的状态是允许存在的，但根据哥本哈根诠释的波函数坍缩假说，在观察动作之后，叠加态会坍缩为可观察量的几个本征态之中的一个本征态，而坍缩至任何一个本征态的概率遵循玻恩定则！
所以很抱歉，根据哥本哈根诠释，这种直接利用纠缠态的量子通信是不存在的。
EPR佯谬
量子通信的最早起源是来自爱因斯坦向波尔反驳量子论不完备的EPR佯谬，爱因斯坦在第六届索尔维会议上的光箱实验被波尔击败，此后他与波多尔斯基和罗森花了数年时间，整出了一个《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗？》的论文，发表在《物理评论》上。
这个思想实验很容易明白：一个不稳定的大粒子衰变为两个小粒子，假设这两种粒子有可能的量子自旋，粒子A为左旋，为了保持守恒，那么另一个小粒子B必定是右旋！然后将两个粒子分开很远，比如几万光年，但我们在观察之前，并不知道哪个是左旋，哪个是右旋！
但当我们观察粒子A时，那么它的波函数瞬间坍缩，随机选择了一种状态，比如说是右旋，那么B粒子必定会变成左旋，那么请问它们是如何保持一致的呢？既然没有超光速通信，因此认为在分开的一瞬间，粒子A和B的左右旋就被确定了！
阿斯派克特实验
但量子论并不是这样解释，而是认为无论相隔多远，在观测之前，它们仍然处在量子叠加态，所以根本不存在什么超光速通讯，叠加态的观测时坍缩，一个随机选择左旋，一个右旋以保持守恒！
这就是后来用他们名字首字母命名的ERP佯谬！
这个EPR佯谬提出后，由于设备局限，所以爱因斯坦尽管处在下风，但他并不认输，真正的试验要到1980年代的法国奥赛理论与应用光学研究所的阿斯派克特试验才被证明是哥本哈根诠释是比较正确的！因为此时爱因斯坦只输了5个标准方差！
后来关于EPR佯谬试验的设备越来越先进，到1998年奥地利因斯布鲁克（Innsbruck）大学的实验时，爱因斯坦输得就有点惨了：30个标准方差！
现在的量子通信到底是什么量子通信？
准确的说，现在的量子通信并不是量子纠缠通信，而是量子加密通信，要了解量子加密通信的话，必须要来了解下BB84协议！
这个协议是查尔斯·贝内特和吉勒·布拉萨在1984年发表的论文中提到的量子密码分发协议，后来以两个人的名字第一个字母+年份，作为了这个经典协议的名字，任意两组共轭状态都可以用此协议，它利用的是光子的偏振态来传输信息，详细描述有些不容易理解，请看下图：
BB84协议
在这个过程中，如果有人窃听，那么窃听者为了光子的偏振态，那么必须做测量，那么会导致秘钥的误码率增加，双方可以约定误码率超过多少时该组秘钥就被废弃！
这种量子通信的方式有一个缺点，必须用一个量子秘钥发送通道和传统数据传输通道，两者必须配合才能正常工作，因此当前研究的也是如何更高效以及更远距离和更少的误码率发送与接收秘钥，但数据仍将通过Internet网来完成！
当然通信除了速率外最终要的指标就是不可破译，传统的秘钥中总是存在各种缺陷，并不能做到100%保密，但量子秘钥不一样，可以发现秘钥被窥视，因此这种秘钥分发的安全性超出想象！
为什么有人再三指责量子通信？
除了网上那些有的没有的指责各种量子通信周边工程配套外，其他主要集中在如何制造出取得单光子的光源，2016年1月14日潘建伟、陆朝阳在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了题为《On-Demand Single Photons with High Extraction Efficiency and Near-Unity Indistinguishability from a Resonantly Driven Quantum Dot in a Micropillar》的论文，物理评论快报上的截图如下：
当然种花家也看不懂这种论文，不过随后美国物理学会的《物理》(Physics）网站以“全能的单光子源”为题刊发了介绍文章，《自然》（Nature）期刊也以“可实用化的单光子源”在其研究亮点栏目作了深入报道，英国物理学会的《物理世界》（Physics World）和美国光学学会的《光学与光子学新闻》（Optics & Photonics News）也做了长篇报道。
潘建伟（右）、陆朝阳
有一点是我们是可以了解的，到今年为止已经接近5年，这种突破性的进展同行评议时效性很强，很快就会有各大科学团体跟进，当然《物理评论快报》的审核也不是吃素的，这种经过将近5年时间考验的论文，也不是一个推销交通方面作品的老兄可以随便推翻的。
其实还有很多站不住脚的观点，但人家很有耐心，堆砌各种文字，看上去很有说服力，不过种花家实在不想一一辩驳，最后送句古诗词给这位老兄“两岸猿声啼不住、轻舟已过万重山”，当大家在这里呱噪时，人家早已发表多篇SCI论文了，假如真有料，不妨也发表几篇？
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。
他的比谷歌悬铃木快一百亿倍？怎么计算的？他的计算有一个案例吗？仅仅又是理论猜测？正如网友认为：一会儿量子卫星、一会儿一眨眼又量子计算机、一会儿量子之父！谁不知美国谷歌，⋯这些人利用了某些人喜爱高大上的厉害了的面子工程，形象工程，己经玩我高层于股掌之间，并已经达到极至。科学本身就是在质疑、在不断否定之中成长。忽悠们为什么怕别人质凝？还动不动什么敌对势力？说你是伟大，就是朋友，质疑你就是敌？什么混帐逻辑？我们等待他们的产品岀来吧，如果没有，就是一个大忽悠，如果有，也是谷歌在先。不要有一点试验，就又什么世界霸主了！超越美国了！一看就知道太不成熟了，狂热充满头脑。什么潘是量子之父呀！一派胡言，1900年普朗克发现量子，你怎么敢妄称“量子之父”？还有潘的信口开河，令人喷饭：什么所有日用量子产品都是！屁臭不臭？谁说量子科学，不用能用到民用？日用？无知！脚踏实地搞好自己的技术吧！本份一点，不要凭着弯道超车，搞了一点小动作，就狂妄无知，猖狂得比天高。一切让时间检验，是真是假拿出实证应用来说话，不要把理论猜测拿来忽悠高层与主媒，总有一天是要水落石出的，一句话，出来混总是要还的。
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】
【2】
【3】
量子力学的发展确实伴随着大量的矛盾与争议，特别是在量子通信开始发展后，有部分“消息灵通”人士已经洞察了量子通信的“伪科技”本质，并且还再三指责科普量子通信的文章为伪科学站台！这些诘问到底是科学的吗？
量子通信的原理是什么？
量子通信的原理还要问么，不就是量子纠缠么，传说中的量子通信就是将纠缠中的两个量子分开，即使相隔在宇宙的两端，当A粒子的状态发生改变时，B粒子也会随之发生改变，这个通讯速度超越光速，距离再遥远也是即时通信！
听起来完美的量子通信确实应该如此，但事实上我们并不能做到在观察处在量子叠加态的不触发坍缩，所以从理论上来看，这种完美的通信方式是不可能存在的，这是不是人类的技术不够，而是量子世界的客观坍缩理论所决定的！
客观坍缩理论
薛定谔方程的线性性质允许粒子自然地处于几个不同量子态的叠加态，当然它也允许宏观物体处在几个不同量子态的叠加态，但在大自然中从来都没有观察到过这种现象！因为宏观物体永远都会占据一个确定的位置，因此将微观物质的尺寸加大时，它的位置和动量将会被同时确定！
但在微观状态下，这个处于量子叠加的状态是允许存在的，但根据哥本哈根诠释的波函数坍缩假说，在观察动作之后，叠加态会坍缩为可观察量的几个本征态之中的一个本征态，而坍缩至任何一个本征态的概率遵循玻恩定则！
所以很抱歉，根据哥本哈根诠释，这种直接利用纠缠态的量子通信是不存在的。
EPR佯谬
量子通信的最早起源是来自爱因斯坦向波尔反驳量子论不完备的EPR佯谬，爱因斯坦在第六届索尔维会议上的光箱实验被波尔击败，此后他与波多尔斯基和罗森花了数年时间，整出了一个《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗？》的论文，发表在《物理评论》上。
这个思想实验很容易明白：一个不稳定的大粒子衰变为两个小粒子，假设这两种粒子有可能的量子自旋，粒子A为左旋，为了保持守恒，那么另一个小粒子B必定是右旋！然后将两个粒子分开很远，比如几万光年，但我们在观察之前，并不知道哪个是左旋，哪个是右旋！
但当我们观察粒子A时，那么它的波函数瞬间坍缩，随机选择了一种状态，比如说是右旋，那么B粒子必定会变成左旋，那么请问它们是如何保持一致的呢？既然没有超光速通信，因此认为在分开的一瞬间，粒子A和B的左右旋就被确定了！
阿斯派克特实验
但量子论并不是这样解释，而是认为无论相隔多远，在观测之前，它们仍然处在量子叠加态，所以根本不存在什么超光速通讯，叠加态的观测时坍缩，一个随机选择左旋，一个右旋以保持守恒！
这就是后来用他们名字首字母命名的ERP佯谬！
这个EPR佯谬提出后，由于设备局限，所以爱因斯坦尽管处在下风，但他并不认输，真正的试验要到1980年代的法国奥赛理论与应用光学研究所的阿斯派克特试验才被证明是哥本哈根诠释是比较正确的！因为此时爱因斯坦只输了5个标准方差！
后来关于EPR佯谬试验的设备越来越先进，到1998年奥地利因斯布鲁克（Innsbruck）大学的实验时，爱因斯坦输得就有点惨了：30个标准方差！
现在的量子通信到底是什么量子通信？
准确的说，现在的量子通信并不是量子纠缠通信，而是量子加密通信，要了解量子加密通信的话，必须要来了解下BB84协议！
这个协议是查尔斯·贝内特和吉勒·布拉萨在1984年发表的论文中提到的量子密码分发协议，后来以两个人的名字第一个字母+年份，作为了这个经典协议的名字，任意两组共轭状态都可以用此协议，它利用的是光子的偏振态来传输信息，详细描述有些不容易理解，请看下图：
BB84协议
在这个过程中，如果有人窃听，那么窃听者为了光子的偏振态，那么必须做测量，那么会导致秘钥的误码率增加，双方可以约定误码率超过多少时该组秘钥就被废弃！
这种量子通信的方式有一个缺点，必须用一个量子秘钥发送通道和传统数据传输通道，两者必须配合才能正常工作，因此当前研究的也是如何更高效以及更远距离和更少的误码率发送与接收秘钥，但数据仍将通过Internet网来完成！
当然通信除了速率外最终要的指标就是不可破译，传统的秘钥中总是存在各种缺陷，并不能做到100%保密，但量子秘钥不一样，可以发现秘钥被窥视，因此这种秘钥分发的安全性超出想象！
为什么有人再三指责量子通信？
除了网上那些有的没有的指责各种量子通信周边工程配套外，其他主要集中在如何制造出取得单光子的光源，2016年1月14日潘建伟、陆朝阳在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了题为《On-Demand Single Photons with High Extraction Efficiency and Near-Unity Indistinguishability from a Resonantly Driven Quantum Dot in a Micropillar》的论文，物理评论快报上的截图如下：
当然种花家也看不懂这种论文，不过随后美国物理学会的《物理》(Physics）网站以“全能的单光子源”为题刊发了介绍文章，《自然》（Nature）期刊也以“可实用化的单光子源”在其研究亮点栏目作了深入报道，英国物理学会的《物理世界》（Physics World）和美国光学学会的《光学与光子学新闻》（Optics & Photonics News）也做了长篇报道。
潘建伟（右）、陆朝阳
有一点是我们是可以了解的，到今年为止已经接近5年，这种突破性的进展同行评议时效性很强，很快就会有各大科学团体跟进，当然《物理评论快报》的审核也不是吃素的，这种经过将近5年时间考验的论文，也不是一个推销交通方面作品的老兄可以随便推翻的。
其实还有很多站不住脚的观点，但人家很有耐心，堆砌各种文字，看上去很有说服力，不过种花家实在不想一一辩驳，最后送句古诗词给这位老兄“两岸猿声啼不住、轻舟已过万重山”，当大家在这里呱噪时，人家早已发表多篇SCI论文了，假如真有料，不妨也发表几篇？