段路明院士：中國量子信息如何從0到1到無窮| 錨點

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INTERVIEW

如今，中國在量子信息領域的多個方面都領跑世界，如星地量子通信和光學量子計算。但回望三十年前，我們國內的量子研究幾乎是一片空白。

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

2018年，段路明從密歇根大學回到清華大學交叉信息研究院工作。2023年，他當選中國科學院院士。2024年，他和團隊實現高達300個離子量子比特規模的量子模擬計算。同年，段路明獲得由量子通信、測量與計算國際大會（ICQCMC）頒發的國際量子獎。

若要了解中國在量子領域怎樣實現了從0到1的突破，段路明院士就是最佳采訪對象。

段路明

中國科學院院士

Q：很多人都聽說過量子，但實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域的？

A：

直覺上，量子確實距離我們很遠。可以這么說，世界由無數極其微小的粒子構成，它們通常被稱為“微觀粒子”，而量子科學則是一門關于微觀粒子的基本特性的科學。微觀粒子包括光子、原子、電子等，與我們日常所見的粒子特性迥異。它除了具備粒子性質，還呈現波動性。

關于波動性，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”。因為微觀粒子有量子相干性，所以多個微觀粒子之間存在一種很強的關聯形式。這種關聯被稱作“量子糾纏”，在經典世界里見不到。

過去幾十年間，人們發現量子糾纏在信息處理方面蘊藏巨大潛力。如果用微觀粒子編碼信息、開展計算，我們能實現超快速的計算并以此解決許多重大問題。這就是量子計算。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，還可實現某些高精度的測量，即量子精密測量。

量子計算、量子通信和量子測量是當前量子科學研究的三大主要方向。當然，我們現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；現階段的量子信息科技研究則重點關注“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論“量子糾纏為什么難操控”。最根本的原因實際上是——量子糾纏太容易產生了。

Q：此話怎講？該怎樣去理解“很難操控是因為極易產生”？

A：

任何一個粒子，只要與外界相互作用，都會產生糾纏。可以說，糾纏是無時無處不在產生的。自然產生的糾纏都是不可控的，我們稱不可控的糾纏為“噪聲”，而我們一般談論的“量子糾纏”是可控的糾纏。量子糾纏與噪聲本質上是同一個東西，或者說，是一體的兩面，就像硬幣正反面。科學和工程所需的不是噪聲，而是可預測、可測量、可利用的可控糾纏——這要求極為嚴苛的實驗環境。

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、量子計算這類領域還“默默無聞”。郭老師和我都是做量子光學出身的，比較關注諸如“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”——這也是當時大家為實現量子計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，通過特定的編碼實現了較高水平的相干性保持。我們將這種編碼稱為“相干保持態編碼”，后來又管它叫“量子避錯編碼”。這在當時成為（包括現在仍是）一種比較有影響力的克服量子系統錯誤的方式。

量子概率克隆與量子密碼通信有一定關聯。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果堪稱完美。我們由此也能得出那個實現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：

實現量子通信（包括量子互聯網）的最大困難來自距離。

光要通過光纖傳輸，光信號經過十幾公里光纖的傳播會衰減得很快。實際上經典通信中也存在距離問題，但它能相對輕松地克服障礙，因為經典信號可以放大。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點，但難以實現長距離通信。

為達成目標，我們要借助量子中繼（通過糾纏和量子態傳輸實現量子通信距離的擴展），這樣通信問題就變成了糾纏產生的問題。原則上，只要有長距離的糾纏，就可以實現長距離的通信。但實現長距離量子糾纏是一項艱巨的挑戰。

我將整個過程分成多段，每段長十幾公里，且都實現量子糾纏，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衰減，只需付出相對小的代價——線性衰減或多項式衰減。

我們的解決方案出來后，引起國際上很多研究團隊的興趣，他們大都在做相關工作。目前我國科學界在量子通信領域的最主要目標就是實現量子中繼。實際上，無論是美國還是中國，都將實現量子中繼視作最重要且最困難的目標。

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驗工作相去甚遠。

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

Q：您覺得量子中繼什么時候能進入現實應用階段？

A：

過去二十年間，關于量子中繼的諸多核心概念、難點都在實驗室里得到了一些演示、證實。現在最主要的任務是整合各部分。

量子中繼的早期工作相當于“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，余下的內容水到渠成。我認為，量子中繼在未來五到十年間會出現比較重大的突破。

Q：您還提出過所謂“基于二維陣列和光子網絡互聯的規模化量子計算方案”。可以對這塊內容做一下介紹嗎？

A：

離子量子計算一直是量子計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做大。針對這部分難點，2004年，我們提出通過光量子互聯來實現量子系統的規模化。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組建團隊，自己開展實驗。

2024年，我們取得重大突破，并于《自然》雜志發表論文介紹了最新成果，這也是目前國際上最大規模的量子模擬系統。

Q：所以你們真正的突破是從一維到二維，可以這樣認為嗎？

A：

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

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

A：

這實際上與離子阱的特殊性質有關。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”這一特殊設計。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，離子就會出現某些很奇怪的運動，即所謂“微運動”。

過去專家總覺得微運動不可控制，是一種很大的噪聲，因此無法進行量子計算。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算。這是理論上的一個突破。

在實驗中，一維體系易于穩定，二維體系很難穩定。因此我們制定了一些可提高系統整體穩定性的實驗方法，包括采用特定的低溫離子阱。可以說，將低溫阱與如此大規模的離子囚禁相結合的工作，是由我們首創的。目前我們實驗室能做到一千多個離子的穩定囚禁。

鑒于上述種種，我們的量子系統規模相較傳統提升巨大。這套方案的影響力也很大，如今國際上很多團隊都照此開展工作。

Q：我發現您是學界罕見的在量子信息理論和實驗兩方面都有杰出貢獻的科學家。請問您是怎樣做到這一切的？

A：

在回清華大學以前，我是美國密歇根大學的費米講席教授。費米是一位非常偉大的物理學家，一位難得的既精通理論又擅長實驗的全才。我曾擔任以他命名的教職，當然要向他學習。（對話雙方笑聲爽朗）

實際上，從奧地利因斯布魯克大學的訪問之旅開始，我就一直很關注理論和實驗的結合。我們做的大量工作都屬于“理論派”，但這些理論與實驗結合得非常緊密。我們也會非常頻繁地與“實驗派”討論。

所以，我們理解實驗，也能發現實驗的問題究竟出在哪兒，還能結合實驗情況與理論思想，并通過這樣的結合獲得某些突破性的想法。理論與實驗的結合點往往就是創新點，也是我們作為導師指導學生做實驗的著力點。導師有能力針對實驗瓶頸發現問題所在、指出探索方向，學生團隊就能更有信心地不斷向前摸索，實驗技術也會逐漸積累成熟。最終，我們可以收獲實驗上的突破。

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：

物理終究是一門實驗的科學。若想將理論與實驗緊密結合，一方面，理論要給得出“素材”，另一方面，研究者必須接近實驗系統，了解實驗室最關心的問題是什么。

Q：量子計算可通過多種物理體系來實現，比如超導、光學、冷原子、離子阱、核磁共振等。我國在超導和光學方面都取得了很知名的成果。關于量子計算的技術路線，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：量子計算機的各個學派很可能不會如經典計算機領域的前輩那般，最后都收斂至一個物理體系；結局或許是不同物理體系各自適應不同問題，行業呈現百花齊放的局面。

A：

這是很可能出現的情況。舉例來說，量子互聯網研究的核心目標之一是將不同的量子計算機和量子實驗平臺連在一起，讓它們發揮各自的優勢。而實現這一目標的方法就包括前面介紹的光互聯。

常被我們用于量子計算的比特（如超導比特），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現連接，比如我們現在所連接的離子和原子體系。我們下一步的計劃是嘗試把離子和金剛石，包括超導體系，連接在一起。

Q：請問您為什么選擇離子阱？它相比其他技術路線有何優劣勢？

A：

放眼全球，離子量子計算的方案一直有著廣泛影響力。但在這方面，過去國內的工作相較國外的優秀成果，是存在較大差距的。不過經過多年發展，我們不再是跟跑者了，尤其是二維離子阱體系的實現，讓我們在規模這一指標上遠超美國團隊的系統。從不同指標上看，可以說大家各有千秋。

Q：在離子阱這個方向，哪些指標我們與國外存在差距？

A：

最核心的指標就兩個：一是規模，即比特數量；二是邏輯門的保真度。

規模上，我們已經較大幅度地領先國外了。在保真度方面，目前是美國的一個研究團隊獨占鰲頭，做出了高達99.9%的保真度。這個數值放到所有技術體系里去對比都為最高。

Q：它比超導體系的還高！怪不得人們樂于做離子阱體系，因為它在保真度方面有優勢。關于下一步的研究工作，您有何打算？

A：

下一步工作中，我們認為最重要的目標是實現規模化的量子計算。在我看來，這也是整個領域里最為核心的目標。

怎樣實現規模化的量子計算？首先，我們需要繼續提高體系內的量子比特數。現階段，我們可以實現幾百、上千個量子比特的規模，但這相較終極目標仍有很大差距。無論采用何種體系，我們都要達到百萬量子比特以上——這相當于一臺通用的量子計算機。我們期待，這個足夠大的系統能服務科研和工業應用，成為一款基本工具。

另一方面，我們希望中國能在量子計算機領域取得更多突破，做出更多尖端、核心的技術，避免遭遇過往經典計算那樣被“卡脖子”的困境。

量子計算無疑是顛覆性的技術，不過它距離成熟和大規模應用還比較遙遠。我們要有耐心。

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

A：

長期來講，一項顛覆性的技術終將帶來變革。以人工智能（AI）為例：AI技術經歷了很長時間的發展，但公眾可能不太關注前期的漫長積累；而當AI的拐點真正到來時，迅速發生的技術變革影響了整個人類社會。

我們希望量子計算機的那個拐點盡快到來。

Q：如果量子信息實現大規模應用，它能給世界帶來怎樣的變化？

A：

我們身處信息社會。經典計算機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，量子計算堪稱最聰明的信息處理方法。可以用數學證明，沒有其他計算工具比量子圖靈機更強大。

在未來發展的過程中，我們可能會發現量子計算機的更多新應用，就像前人在經典計算機浪潮中所經歷的那樣：當經典計算機仍處于早期階段時，大眾沒能預料到它日后將帶來如此廣泛的應用。對于2020年代的我們而言，手機已經很普遍了，但是如果回到一百年前，要創造這樣復雜的機器，幾乎是不可能的事情。

現階段，我們認為首先得把量子計算機這種“魔法機器”造出來。如果成功，未來它會有廣泛應用的空間。

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

A：

實現量子計算的規模化。

袁嵐峰

《錨點》科學對談人

-本文刊載于《世界科學》雜志2026年第1期“錨點”專欄，該專欄由《世界科學》編輯部和東方衛視《錨點》節目組聯合開發；《錨點》系列節目由中國科學技術大學科技傳播系副主任袁嵐峰研究員主持-

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