早上7點半，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校園內(nèi)，中國科學(xué)院院士郭光燦匆匆地走向中國科學(xué)院量子信息重點實驗室。這棟不起眼的小樓里，匯聚了量子密碼與量子器件、半導(dǎo)體量子芯片、量子糾纏網(wǎng)絡(luò)等多個領(lǐng)域的研究小組，量子避錯編碼原理、量子概率克隆原理等一系列成果均誕生于此。
從上世紀(jì)80年代將量子光學(xué)理論體系引入國內(nèi)，到90年代率先在國內(nèi)開展量子信息科學(xué)研究，再到后來致力于打造我國自主可用的量子計算機，郭光燦在量子領(lǐng)域已經(jīng)深耕了40余年。
“一定要把我們的量子光學(xué)研究做起來”
量子光學(xué)是研究光場量子特性及其與物質(zhì)相互作用的前沿學(xué)科，它揭示了光不僅具有波動性，更由離散的光子構(gòu)成。研究探索光的量子態(tài)（如相干態(tài)、壓縮態(tài)）、量子糾纏等非經(jīng)典現(xiàn)象，可以推動量子通信、量子計算和超精密測量等技術(shù)的突破性發(fā)展。
上世紀(jì)80年代初，量子光學(xué)研究在國際上已經(jīng)發(fā)展了20多年，但在中國還是空白。1981年，39歲的郭光燦作為改革開放后首批公派學(xué)者赴加拿大學(xué)習(xí)，其間接觸到量子光學(xué)的前沿研究，他暗下決心：“一定要把我們的量子光學(xué)研究做起來。”
郭光燦出生于福建的一個漁民家庭，盡管家境貧寒，但母親堅持送3個孩子讀書。郭光燦1960年考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)無線電系。“因為當(dāng)時想學(xué)半導(dǎo)體，就報考了中國科大的無線電系。后來才知道，半導(dǎo)體專業(yè)設(shè)在物理系，不在無線電系。”郭光燦說，“但也正因為這個機會，我趕上了中國科大無線電系設(shè)立氣體激光新專業(yè)。我對這個方向很感興趣，從此與光學(xué)結(jié)緣。”
留學(xué)歸國后，1984年，在中國科大的支持下，郭光燦在安徽滁州瑯琊山主持舉辦了全國第一個量子光學(xué)學(xué)術(shù)會議。郭光燦說：“雖然大家對很多概念還搞不懂，但形成了一個共識，這個會應(yīng)當(dāng)堅持開下去。”
此后的40年里，量子光學(xué)學(xué)術(shù)會議每兩年舉辦一次，從未間斷。“1984年第一屆時，只有幾十人參會，到2024年第二十一屆時，參會人數(shù)超過800人，量子光學(xué)領(lǐng)域受到更多人的關(guān)注。”郭光燦說。
隨著關(guān)注度不斷提高，如何能夠更好地培養(yǎng)量子光學(xué)研究人才，成為郭光燦思考的重要課題。郭光燦在國內(nèi)開設(shè)了第一門量子光學(xué)課程，課程講義也于1991年結(jié)集出版。很多研究人員正是通過他的課程和講義了解了量子光學(xué)領(lǐng)域，逐漸成長為量子研究的中堅力量。
“我們今天的成績，與國家20多年前的支持密不可分”
在量子光學(xué)研究進度落后國際先進水平20年的情況下，郭光燦一直考慮尋找更有突破可能的研究方向。20世紀(jì)90年代初，他在閱讀文獻(xiàn)時看到一個名詞叫“量子信息”，這是國際學(xué)術(shù)界提出不久的研究方向，但他敏銳地意識到這是個非常有價值的研究領(lǐng)域。
量子信息是一門基于量子力學(xué)原理，如疊加與糾纏等，來處理和傳輸信息的新興交叉學(xué)科。其核心是以量子比特作為信息單元，旨在突破經(jīng)典信息技術(shù)的極限，主要涵蓋量子計算、量子通信和量子精密測量三大方向。
量子信息的基礎(chǔ)理論恰恰就是郭光燦此前研究的量子光學(xué)基礎(chǔ)理論，其創(chuàng)新之處在于將量子理論系統(tǒng)性地引入信息領(lǐng)域，從而為計算機、密碼學(xué)等經(jīng)典概念賦予全新的量子詮釋。將信息量子化后，顯示出來的性能就會比經(jīng)典信息要好很多，有巨大的潛在應(yīng)用前景，并將賦予量子光學(xué)以嶄新的生命力。
郭光燦向一些科研機構(gòu)提出建議，開展量子信息相關(guān)研究，卻沒有受到重視。甚至有人提出，“傳統(tǒng)的經(jīng)典信息尚未研究清楚，還搞什么量子信息？”“是不是偽科學(xué)？”
面對種種誤解和挫折，郭光燦并不氣餒。他意識到，要改變這個局面，必須從普及量子信息的概念入手，為此，他連續(xù)在業(yè)內(nèi)知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表文章，引起了國內(nèi)一些學(xué)者的興趣。
1998年，在由科學(xué)技術(shù)部（原國家科委）發(fā)起的香山科學(xué)會議上，郭光燦提出的“量子通信與量子計算”成為主題之一。會議主席、“兩彈一星功勛獎?wù)隆鲍@得者王大珩在會上說：“量子科學(xué)太重要了，必須要有中國人的聲音。”
1999年，在中國科學(xué)院的支持下，郭光燦在中國科大成立了量子通信與量子計算開放實驗室，此后升級為中國科學(xué)院量子信息重點實驗室，成為我國量子信息領(lǐng)域第一個省部級重點實驗室。
2001年，郭光燦申請到量子信息領(lǐng)域的第一個“973項目”。隨后，他組建了一支由50多名研究人員組成的團隊，這些成員來自國內(nèi)10多個研究所和大學(xué)，覆蓋量子密碼、量子計算、量子通信、量子網(wǎng)絡(luò)等諸多領(lǐng)域。5年間，他們不僅形成了一批研究成果，更培養(yǎng)了一支具有開拓創(chuàng)新能力的科研隊伍。
“這是我國量子信息實現(xiàn)由‘從0到1’到‘從1到100’發(fā)展的一個轉(zhuǎn)折點。我們今天的成績，與國家20多年前的支持密不可分。”郭光燦說。
“量子計算機研究不是一代人能完成的事情，要讓年輕人盡早上手”
2011年，郭光燦團隊承擔(dān)了科技部“固態(tài)量子芯片”項目，負(fù)責(zé)研發(fā)我國自己的量子芯片。雖然當(dāng)時大家希望由郭光燦擔(dān)任首席科學(xué)家，但他堅持由當(dāng)時還不滿35歲的中國科大教授郭國平擔(dān)任。
量子芯片相當(dāng)于未來量子計算機的“大腦”，其重要性不言而喻。“量子計算機研究不是一代人能完成的事情，要讓年輕人盡早上手，可以干得更快、做得更好。”郭光燦說。
郭國平?jīng)]有辜負(fù)期待，他帶領(lǐng)團隊于2013年成功在“一個電子”上實現(xiàn)10皮秒級量子邏輯門運算，將原世界紀(jì)錄提高近百倍，在推動量子計算走向應(yīng)用上邁出重要一步。
2017年，郭光燦和郭國平帶領(lǐng)中國科學(xué)院量子信息重點實驗室團隊，聯(lián)合創(chuàng)立了中國第一家量子計算公司——本源量子計算科技（合肥）股份有限公司。目標(biāo)是研發(fā)出一臺可供用戶交互使用的工程化量子計算機，使得我國擁有自主可控的量子計算能力。
依托本源量子，郭光燦和郭國平加大實驗室量子計算領(lǐng)域研究成果轉(zhuǎn)化力度，已陸續(xù)推出三代自主超導(dǎo)量子計算機。目前，我國第三代自主超導(dǎo)量子計算機“本源悟空”先后被139個國家和地區(qū)用戶訪問超2500萬次，成功完成38萬余個全球量子計算任務(wù)，涵蓋流體動力學(xué)、金融、生物醫(yī)藥等多個行業(yè)領(lǐng)域。
如今年逾八旬的郭光燦仍奔波于育人一線。他不僅為中學(xué)生做科普講座，還多次參與“司南杯”量子計算編程挑戰(zhàn)賽的活動。該賽事三屆累計吸引超5000名高校學(xué)子參與，為我國量子計算事業(yè)儲備了新生力量。
“我這一輩子就想努力做好一件事，再培養(yǎng)一批人才，承擔(dān)我應(yīng)盡的責(zé)任。希望年輕人能夠接過接力棒，共同推動量子計算技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化。”郭光燦說。
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研制一臺量子計算機，需要攻克哪些技術(shù)難題
量子計算機的研發(fā)是一項復(fù)雜任務(wù)，以超導(dǎo)量子計算機為例，其主要包含量子芯片、量子計算測控系統(tǒng)、極低溫環(huán)境支撐系統(tǒng)和量子計算機操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等方面。
量子芯片作為量子計算機的心臟，負(fù)責(zé)執(zhí)行關(guān)鍵的運算加速過程，而這一過程需要將問題轉(zhuǎn)化為量子算法，并通過特殊的調(diào)制脈沖信號輸入量子芯片，最終采集并分析量子芯片輸出的信號以獲得問題的解答。量子芯片的高效運行需要一個完善的硬件系統(tǒng)來支持，包括量子芯片封裝技術(shù)、量子芯片測試平臺，以及量子測控系統(tǒng)、相關(guān)元器件等。其中，量子芯片測試平臺由極低溫稀釋制冷機及配套設(shè)施構(gòu)成，為量子芯片提供極低溫環(huán)境、紅外輻射噪聲屏蔽、磁場噪聲屏蔽和極低的機械振動等高度隔離的運行條件，同時還需要高效率的導(dǎo)熱組件及時帶走量子芯片運行時產(chǎn)生的熱量。量子計算測控系統(tǒng)負(fù)責(zé)量子芯片所需的一切信號的生成、采集、控制與處理，如同一位“翻譯官”，將人類的復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為量子芯片能夠理解的“語言”，并引導(dǎo)量子芯片進行高效計算。
同時，量子計算機還需要一套完整的軟件系統(tǒng)來支持其運行，包括量子計算機操作系統(tǒng)、量子語言編譯器、量子應(yīng)用軟件以及量子計算機集成開發(fā)環(huán)境等。這些軟件系統(tǒng)不僅為用戶提供量子程序的編程和操作界面，還需要對接硬件，將程序轉(zhuǎn)換為硬件所需的指令信號，確保量子計算機能夠高效、準(zhǔn)確地執(zhí)行各種計算任務(wù)。
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