陆朝阳，80后，中国科学技术大学教授，因被《自然》（Nature）杂志文章称为“一个寻找新的计算方法的量子鬼才”，在国际物理学界获得了“量子鬼才”的昵称。
十年前，陆朝阳从剑桥大学获得博士学位后马上回国，在潘建伟团队，他不断开拓量子光学前沿和刷新光量子信息技术的高度，解决了单光子源和纠缠光子源的品质和效率等瓶颈问题，在光量子计算和多光子纠缠方面处于国际引领地位。
2020年，他和同事们构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，在特定赛道上速度比超级计算机快一百万亿倍，使得我国首次成功达到量子计算优越性的里程碑。同年，他被授予美国光学学会颁发的阿道夫隆奖章，这是该奖章设立80年来中国科学家在本土的研究工作首次获得该奖。2021年，被授予美国物理学会颁发的兰道尔本内特量子计算奖，表彰他在光学量子信息科学，特别是在固态量子光源、量子隐形传态和光量子计算方面的重要贡献。这是国际量子计算领域设立的青年科学家最高奖项，也是首次颁发给中国科学家。
日前，陆朝阳做客泉果“无限对话”，与泉果基金进行内部分享，讲述了量子物理世界最重要的基本概念，以及他所在的科研团队的核心研究成果。
嘉宾简介
陆朝阳
* 剑桥大学博士
* 中国科学技术大学教授
* 长期致力于量子物理、量子计算研究
* 曾获国家杰出青年科学基金、科学探索奖、中国青年五四奖章；日本仁科芳雄亚洲奖；欧洲物理学会菲涅尔奖；美国光学学会阿道夫隆奖章；美国物理学会量子计算奖等
* 担任2020国际量子大会主席
* 担任九三学社中央青工委副主任
以下为根据陆朝阳内部分享整理的核心要点。
陆朝阳以一个斜坡来简单陈述他的研究课题。
从最基础的说起，什么是量子？量子是一个相对于经典物理学的概念。
比如下面这个考试中常见的斜坡，在数学上，它是无限光滑的，你拿放大镜去看，它还是一个光滑的斜坡。但在物理上，我们可以把它细分到最小单位。就好像一根筷子，你不停地将它折断，总会有一个最小的不可分割的单位。
图1. 量子世界里“斜坡”变“台阶”
量子是物质最小的不可分割的单元，当你的观测角度足够小的时候，你会发现量子就不再是连续变化，而会变成离散变化；它不再是一个像爬野山走的斜坡，而是一个有台阶的楼梯。一个物体它可以在整数的台阶上，比如第1级台阶，第3级台阶，但不能在1.5级台阶，这是不稳定状态。这就是量子的概念，所以量子是物质和能量的最基本的单元。
物理中的物质要细分到什么程度？比如一个原子分子，要比1纳米还要小1个数量级以上，比如光的最小单位是光子，一个40瓦灯泡一秒钟能放出万亿亿个光子，也就是100,000,000,000,000,000,000个光子（1后面有20个零）你呼的一口气中包含10,000,000,000,000,000,000,000个分子（1后面有22个零）。
正因为它的微小性。历史上任意一个伟人，一口气呼出的气体，会弥漫到整个大气层。我们可以算出他呼出气体中存在多少分子。一口气相对大气层看起来微不足道，但如果你去计算，你会发现，在你呼进去的一口呼吸中，会至少存在一个这个伟人曾经呼出的分子。
所以，我们研究的是极其微小的能量和物质，是把触手伸到了物理学的微观极致。
01
“在我们熟悉的宏观世界有一套事物运行规律，但在量子世界有独特的运行规律，就会产生不一样的结果。这也引出了量子世界的重要规则——叠加态。”
我们来看一个“保龄球游戏”，图2是宏观世界的保龄球游戏，图3是我们把保龄球缩小到微观世界得出的结果。
图2. 宏观保龄球游戏
图3. 量子保龄球游戏
在经典物理中，保龄球只能从挡板的中缝通过，击打在后面的墙壁上。而从量子保龄球的轨迹中看到，后面的“墙壁”上有很多条击打的痕迹。中间本应该被挡板遮挡的地方反而成为量子保龄球击打次数最多的地方。在量子世界好像有孙悟空的“分身术”。量子可以允许几种状态同时存在。经典物理中，这个球要么走红线，要么走蓝线。但在量子世界，可以两条路一起过去，我们叫量子的“相干叠加”，这是量子计算技术的基础。
同时，当你“观测”保龄球的时候，你的“观测”会改变它的行为，使它又变回到经典物理的行为模式，这是量子通信技术的基础。
量子力学的奠基人薛定谔当时觉得这很反直觉，所以提出了“薛定谔的猫”来描述这个现象：如果把这个微观世界原理放到宏观世界，就意味着一只猫可以既是死的又是活的，这两个状态同时存在。但你不能打开盒子去看，一旦你去看它，它的状态就会塌缩成一种状态，要么是死，要么是活。
图4. 薛定谔的猫
它还有一个升级版“薛定谔的滚”。就好像当女朋友让你“滚”，她其实是处在两种心理状态的一个“叠加态”：
1. 真的让你滚
2.让你过去抱她
也就是说，此时的你处于一种“又抱又滚”的量子力学状态。你的下一步行动（滚或者抱），用物理学的话讲叫“观测”，将会使这个叠加态塌缩到一个固定的状态。
我们可以利用这个特性去做量子计算。计算的基本单位是比特，0或者1。它每次只能处于一种状态，要么是1，要么是0。但量子可以多种状态并存，可以既是1，又是0。如果有2个量子比特，就可以同时有4种状态：00、01、10和11。如果有50个量子比特，就有2的50次方的状态同时存在，这是个非常巨大的数字，相当于地球到太阳的距离。正常的计算只能存2的50次方中的一种状态，但量子计算中，这么多状态可以同时存在。
量子计算的算力可以用走迷宫来解释。传统计算机走迷宫，每次只能选一条路去试，失败了只能从头再来。但是量子计算机走迷宫，就好比同时有10个人一起尝试不同的路，瞬间就能把所有可能都尝试一遍，更快地找到正确的出路。因此，量子计算机完全突破了经典计算机的限制，有无穷潜力。
但量子计算的缺点是，虽然这些状态可以同时存在，但当你观测的时候，当你打开装猫的盒子的时候，只会有一种结果，而这种结果并不一定是你想要的。所以我们就需要使用“量子干涉”，去读取我们想要的结果。所以量子计算并不能加速所有算法，它只会对部分问题的运算起到加速作用。
02
“做科研就是和天地对话，是在扩展人类的知识、探寻新的原理和方法。”
量子力学是在一个抽象的想象空间中诞生的理论。量子计算这个概念从上个世纪80年代提出，到现在实现了优越性验证，经历了近40年的时间。
量子计算的发展趋势可以借鉴人工智能的历程。人工智能在1956年就已经起步了，当时人们对人工智能寄予厚望。因为预期高于技术的实际能力，所以出现了泡沫，也在1980年和1993年迎来了两次该领域的寒冬。寒冬期间很多研发的基金就被断供了，这也在一定程度上阻碍了技术发展的速度。
图5. 人工智能（AI）的发展路径
量子计算也类似，它的整体研究时间周期比较长，同时未来又很难预期。
如今的量子科学究竟发展到了什么阶段？
下图是Taylor教授做的发展曲线，我们现在大概是在这个星号稍微偏上一点点的位置（星号是2020年左右的位置），还处在第一阶段。
右上角还有一个图表，是近年来在量子领域初创公司的数量，可以看到，2016年之后，初创公司数量陡增，很明显是出现了泡沫。
图6. 量子计算的发展阶段
这些初创公司大部分给资本界讲述的故事都是量子计算技术的并行计算能力。但是这个描述并不严谨，要实现量子计算，光利用“相干叠加”的概念不够，我们必须通过巧妙的设计，让它有一个“量子干涉”的过程，读取出最终想要的计算结果。
国际上大家也意识到了量子领域有宣传上的泡沫。比如量子计算领域的美国上市公司IonQ遭到了做空机构的攻击，现在股票已经跌破发行价了。
但其实这家公司的实力很强，它的创始人是美国量子计算的领军人物之一，创始人的导师、导师的导师、以及博士后的导师，都拿过诺贝尔奖。
综合这些信息，我们对于量子计算的发展，不盲目乐观，但也不特别悲观。
我们为中国量子计算设计的发展路线，是分步走的策略。最终的目标是遥远和艰巨的，但每个阶段都会有成果出来。
我们把艰巨的目标分解为几个可以实现的中间目标。大概分为3步：
1. 证明量子计算优越性
2. 研制实用量子模拟机
3. 研制通用量子计算机
目前我们处于第一个阶段。
为什么需要证明量子计算的优越性？实验物理学家的的视角是“不能光说不练，给我看数据”（Don’t tell me, show me）。
量子计算从1981年被提出以来，它的优越性还停留在理论上，需要证据证明。“实现超越经典计算机的量子计算能力”也是2016年我们给自己设立的目标。
这个第一阶段的目标，它的意义有多大？
有谷歌“首席登月家”之称的约翰·马丁尼斯（John Martinis）是谷歌量子硬件团队创始人，他入选了2019年《自然》的十大科学人物。马丁尼斯把这一阶段的目标类比为人类的又一个登月计划，是人类在一个新空间的计算能力探索。
图7. 谷歌量子硬件团队创始人
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“量子计算第一阶段的实验成果被美国人命名为‘量子霸权’；我们不是很认同这个词，所以我们做出研究成果后，自己想了一个概念叫‘量子竞争优势’（Quantum Computational Advantage） 。”
谷歌招募了200人的团队，用了7年时间和10亿美元的经费制造53个比特的超导量子计算系统“悬铃木”。《自然》杂志将其类比为“莱特兄弟的飞机”一样的突破性进展。
我们中国科学技术大学的量子计算机研发团队，用了3000万人民币，以及比谷歌小得多的团队规模，采用“玻色取样”（Boson Sampling）的算法，研制出了“九章”量子计算原型机。
“九章”主要有两点技术革新：
1. 是国际上唯一同时具备高效率，高全同性，极高亮度和大规模扩展能力的量子光源。
2. 高精度锁相技术。对精度的要求相当于在一个100公里的距离，从起点有50匹马要跑到终点，抵达终点的时候，这些马之间的距离误差要小于1跟头发丝的宽度。
以下为“九章”与谷歌“悬铃木”的比较：
1. 从速度上，超级计算机需要六亿年完成的任务，“九章”200秒就做完了。等效地讲，“九章”的速度也比 “悬铃木”快了一百亿倍。
2. 关闭了谷歌量子计算优越性的漏洞，即“九章”的量子计算优越性不依赖于样本数量
图8. 量子世界里“斜坡”变“台阶”
2021年，“九章”量子计算原型机被《自然》杂志以“中国物理学家挑战谷歌量子霸权”为题报道，入选美国物理协会的“2021年全球物理十大进展”。
图9. 《自然》杂志报道
从1981年费曼提出量子计算的这个概念，到2018年，近40年间，量子计算都处在玩具模型的阶段。2019年，Google推出了“悬铃木”；2021年，中国推出了“九章”和“九章二号”；就在前几天，加拿大的Xanadu Quantum Technologies（世外桃源量子技术公司）推出光子量子计算机 Borealis。以此为标志，在量子计算领域，全球三个大国：美国、中国和加拿大都达成了“证明量子计算优越性”的里程碑。
接下来我们进入第二阶段，目标是研制出具有一定实用价值的量子计算机。目前遇到的技术难点是量子态保真度的技术衰减问题。我们现在能控制的比特的数量大概是几百个，但在计算的过程中，因为没有量子纠错，所以错误会指数化的升级。因为1000万个物理比特，才能被编码成为一个逻辑比特。需要几千万个物理比特才能获得一个可能的有效结果。
在应用领域，目前比较成熟的是量子通信，量子保密通讯是一个量子加密的过程。这方面技术上比较成熟，因为它只涉及到一两个光子的实验，而我们在实验室已经可以操控几十个到几百个光子了。这个技术确实能解决通道中的窃听的问题，目前在应用上的潜在客户是银行，保护金融信息的安全性，还有军事上的敏感信息保护。
而量子计算则还处于发展的初期，可以说，我们是刚刚爬过第一道山峰。量子计算究竟什么时候才能实现真正意义上的应用？根据下面我们的发展路线图（图10），第三步是在一些非常专业的领域实现应用，比如材料设计领域以及关于量子本身的问题计算，但是主要的应用还是在实验室里面。应该在未来的3~5年时间里能实现在一个狭窄的领域内的运用。直到发展到第四步，才有可能去做一些大数的求解、密码的破译，我估计要实现第四步还需要15~20年的时间。
图10. 量子计算里程碑
但我对未来的判断始终是非常困难的。中间的发展会不会出现一些非线性的过程，这个目前我们都不知道。
是什么支持陆朝阳投身于漫长而充满不确定性的量子科学研究？
他在很多场合都用这句话表达自己的研究心态：“做科研就是和天地对话，扩展人类的知识，探寻新的原理和方法。当你发现了一个地球上70多亿人都不知道的一个新东西，而且这可能在将来改善每个人的生活，这个感觉很美妙。”
