近年来，量子科技发展突飞猛进，量子通信、量子计算……如今，量子科技已成为全球科技大国集中发力的新一轮科技革命和产业变革前沿阵地。从顶层设计、战略投资到人才培养，全球多国在量子科技领域持续投入。
加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。量子科技在未来不但能使计算机的计算能力提高，通信更快，还会使传感技术更灵敏，信息精度越来越精确。抢抓量子科技发展机遇，中国已按下“快进键”。
西安交通大学：打造量子光学排头兵
工作人员在陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室内做实验。记者 王梓萌摄
量子光学是基于辐射场的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题以及应用的一门学科，现在得到广泛应用的激光技术即源自于此。10月23日，记者来到西安交通大学，采访了在量子光学领域深耕多年的物理学教授、博士生导师李福利。
在高维光子量子态操控等方面
取得重要进展
李福利的科研领域主要包括介质光学性质的量子调控、原子与量子光场相互作用动力学、量子信息与量子计算等，其研究成果曾获陕西省科学技术奖一等奖、陕西省教学成果奖一等奖、教育部科学技术进步奖二等奖、国家级教学成果奖二等奖、陕西省科学技术进步奖三等奖等多项荣誉。
“依托西安交通大学物理学院建立的陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室，我们主要从事高维量子态操控与超密编码、高维量子密钥分发、原子系综中高维量子信息存储、单像素光学成像以及光电量子器件等方面的研究，在高维量子态和单光子的产生、调控、存储及测量方面有着深厚的实验和理论基础。”李福利告诉记者。
最近，他带领科研团队在高维光子量子态操控、高光学厚度冷原子技术与量子信息存储方面取得了重要进展。
“高维量子体系相较于二维量子体系可编码更多的信息位，在量子信息与量子计算中具有优越性，如信道容量更大、信号安全性更好、抗噪声干扰能力更强等，同时高维量子体系在量子力学基本问题方面也有着更广泛的研究内容。”李福利说。
据介绍，该研究小组利用光子高维轨道角动量（OAM）量子态以及偏振、路径等多个自由度，实现了在高维空间中光子量子态的操控逻辑门，在单光子水平上量子态的转换率达到93%，通过其组合进而可以实现对于高维量子态的任意幺正变换操作，为实现基于光子高维量子态的量子计算提供了基础。
“同时，实验室还开展了双光子高维量子态的控制操作研究，并取得了很好的进展。这些工作为量子通信过程中量子态的纠缠制备与变换、纠错以及测量奠定了基础。”李福利说。
在量子信息存储研究上，李福利表示，冷原子系综具有易操控和相干性好等特性，是进行光与物质相互作用研究的理想媒介。“高光学厚度冷原子技术是提高光与原子相互作用强度的重要技术手段。”李福利介绍，利用该项技术，实验室最近产生了一个长约3cm的“雪茄”型冷原子团，原子团轴向长度约3cm，横截面直径约1.5mm。经测量，87Rb原子D1线跃迁对应的最大光学厚度(OD)在400左右，原子密度达到5x1012cm-3。在此光学厚度下，单光子轨道角动量量子态的存储效率可以到63%左右，存储保真度到99%，这些指标达到了国际先进水平。该系统为量子通信和量子计算中光子存储、延迟、同步和操控提供了理想实验平台。
凝聚高端人才
建立高水平科研平台
为满足国家和陕西省对信息、新能源和空间探测产业的重大战略需求，西安交通大学物理学院承担建设了陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室，专门开展量子信息与量子计算、光电转换量子材料与器件、高精密光学测量中的关键科学和技术问题的研究，为陕西省建立和发展量子信息、新型光伏、先进遥感技术提供坚实的科学与技术基础和人才支撑。
李福利介绍，量子信息与量子计算研究方向包含人工量子体系的量子信息处理和量子计算等内容，研究团队目前聚集了一批长期从事量子光学领域研究工作的中青年科研骨干。团队近年来主要围绕量子相干调控及其在量子信息和量子计算中的应用研究，承担并完成了包括国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划在内的多项国家级科研项目。
其中，李福利主持完成的项目“基于腔量子电动力学的量子态制备、操控与量子计算及信息处理”作为代表性研究成果，获得了2015年度陕西省科学技术奖一等奖。
“量子信息和量子计算可以提供绝对安全的保密通信、巨量信息存储和超高速信息处理。”李福利介绍，该项目围绕实现量子信息和量子计算的关键科学问题，研究了由原子、量子超导电路、金刚石氮空穴色心与微腔构成的分布式量子电动力学系统中纠缠态的制备、量子态的传递、量子逻辑门的实现，以及退相干的物理机制。
项目研究成果为实现量子纠缠分发、量子隐形传态、分布式量子计算、量子相干性保持提供了重要的理论基础，为人工量子体系在量子计算以及量子通信等方面的应用建立理论基础和基本方法，构建可扩展、可调控的实现量子计算和量子保密通信的物理系统，在国内外产生了重要学术影响，在国际一流物理学刊物上发表论文50余篇，SCI他引704次。
此外，在光电量子器件研究方向，关于晶体硅太阳电池的研究成果已成功应用于西安黄河光伏科技股份有限公司的晶体硅电池生产线，其生产的太阳电池组件被广泛用于陕西省的光伏电站建设，取得了良好的经济效益和社会效益。
在成像光谱技术研究方向，西安交通大学的科研团队也取得了一系列成果：建立了多模多维多尺度光信息一体化获取平台和空间、大气、海洋、环境先进遥感平台；在国家863计划及自然科学基金重点项目的资助下，提出了一种高分辨率、高灵敏度的图像、光谱、偏振多维信息一体化获取技术的原理和方法，并自主研发出了国际首台成像、光盘、偏振多维信息一体化获取原理样机，该研究在基于Savart偏光镜强度调制多维信息一体化获取原理研究、装置研制及软件研发方面具有重大创新。目前，实验室正在发展火星全球风场及成分的探测技术。
“今后，我们将继续围绕国家目标和战略产业，开发新产品、新技术，瞄准学科前沿，不断提高学术水平，引领陕西省量子信息与器件相关的研究方向，促进基础研究水平的提升。”李福利说。 (记者 王梓萌)
西北大学：开展量子物理研究
西北大学量子物理研究团队。资料照片
提起西北大学，“中华石油英才之母”“青年经济学家的摇篮”“作家摇篮”的称号广为人知。其实，早在20世纪80年代，凭借着在数学物理与量子场论等国际前沿领域的研究工作，西北大学就形成了我国理论物理界广泛认可的“西北军”，是我国理论物理研究的重镇，在国际上有着重要的学术地位。
“在已故物理学家侯伯宇先生的带领下，我们坚持从事数学物理与量子场论等基础理论的研究工作，像被誉为‘中国的骄傲’的‘侯氏变换’理论为代表的研究成果在国际上享有盛名。”10月26日，西北大学科技处处长、物理学院教授杨涛告诉记者，“近年来，在物理学院院长、教育部长江学者特聘教授杨文力的带领下，我们紧密围绕量子多体理论的研究，形成了量子可积系统、非线性量子物理、量子调控和量子信息基础理论、电子结构理论与计算等互相关联和交叉的研究方向，取得了一系列具有国际影响的研究成果。”
量子可积系统研究
处于国际领先水平
西北大学物理学院研究团队长期坚持量子可积系统精确解及相关问题的研究，对开边界可积系统、椭圆可积系统等的研究居国内领先、国际同类研究前列，是国际上几个重要的研究小组之一。
“我们将量子多体理论应用于强关联可积系统研究，与中科院物理所的王玉鹏、曹俊鹏研究员合作，提出了非对角Bethe Ansatz方法和非齐次T-Q关系，克服了传统方法的缺陷，成功求解了长期挑战可积模型领域的‘可积但不可解’的一系列典型 U(1)对称破缺模型。”杨涛说。
杨涛告诉记者，团队建立的上述精确求解一般量子可积系统的全新理论框架，全面解决了困扰量子可积系统领域40年的系列著名问题，被国际权威评价为该领域的“重要突破”，处于国际领先水平。应著名出版机构 Springer邀请，团队出版了专著《Offdiagonal Bethe ansatz for exactly solvable models》，权威专家高度评价本书“注定成为该领域的经典”“将对量子可积系统的研究产生深远的影响”。
电子结构理论是量子物理与量子化学结合的重要交叉研究领域，也是西北大学物理学院研究团队的传统优势和特色方向之一。“我们提出的空穴－粒子对称图形酉群方法是原创性的理论，国内外相关研究都是基于我们提出的这一理论开展的。”杨涛说。
基于上述理论，西北大学物理学院研究团队开发了大规模的多参考态电子相关理论计算程序包Xi’an-CI，该程序是国内少数具有自主知识产权的量子化学程序。程序包被用于电子结构理论中的多组态问题的模拟和计算，其部分性能甚至优于国际著名的量化计算高斯程序，已被北京大学、瑞典Lund大学、法国Nice大学等使用，且已安装在中国科学院网络中心超级计算中心的计算机上，为全国的理论化学科研工作者提供服务。
打造一支敢闯“无人区”的
高水平人才队伍
“加强量子多体系统理论及调控方法的研究对促进量子技术的发展具有重要意义，可能在今后二三十年间对人类社会经济发展产生难以估量的影响。”杨涛说，“在长期的积淀中，西北大学凝聚了一支具有钻研精神和创新能力的高水平人才团队，甘坐‘冷板凳’，敢闯‘无人区’。”
目前，西北大学理论物理研究团队拥有成员30人，其中教授13人，副教授11人。团队成员全部具有博士学位，平均年龄为39岁，是一支年富力强、充满活力的学术团队。近年来，团队共承担国家重点研发计划项目课题1项、国家自然科学基金项目27项及陕西省自然科学基础研究计划重大基础研究项目等省部级科研项目10余项。
从事基础研究需要科研人员耐得住寂寞，坐得住“冷板凳”。“以侯伯宇先生为代表的老一辈物理学家执着追求、积极乐观、不计名利、潜心科学研究的精神一直鼓舞和感召着我们，为学科的持续发展创造了良好氛围。”杨涛说。
以西北大学理论物理研究团队为基础，2013年，西北大学物理学院成为国家基金委首批建设的五个“理论物理人才培养与学术交流平台”之一；2016年，获批建设“陕西省理论物理前沿重点实验室”；由于建设成效显著，2019年获国家基金委批准与中国科技大*联学**合建设“彭桓武高能基础理论研究中心”，成为国内高校首家彭桓武理论物理研究中心。
现在，西北大学物理学院与中国科学院物理研究所建立了长期的科学研究与人才培养合作关系，联合创办“严济慈物理学英才班”；与美国、英国、澳大利亚、德国等国家的著名研究机构开展广泛的交流合作；先后举办了国家基金委量子可积系统暑期学校，2017全国“量子物理：基础、前沿、未来”学术会议，第五届全国光孤子学术研讨会，扭结场论国际研讨会等国内外学术会议，鼓励团队成员和学生积极开展学术交流、访问，形成了良好的学术传统和氛围。
“习*平近**总书记关于量子科技发展的重要讲话令人振奋，对我们做好量子科技相关科研工作具有重大指导意义。”西北大学理论物理研究团队学术带头人、科技部国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项总体专家组成员杨文力说，“基础研究是科技创新的源头，我们将紧扣量子多体相互作用这一主线潜心量子物理的基础理论研究，面向科学前沿，培养创新人才，为我国量子科技的发展贡献西大力量。” (记者 霍强)
中科创星：在量子领域加大投资力度
9月12日，合肥本源量子计算科技有限责任公司（以下简称本源量子）完全自主开发的超导量子计算云平台正式向全球用户开放，该平台基于本源量子自主研发了超导量子计算机——悟源。普通用户可以在云平台上使用图形化界面编程模式和多种量子应用，体验量子计算的独特魅力；专业用户则可以使用云平台提供的代码编程模式，编写量子程序开发量子应用或验证小型量子算法。
目前，本源量子云是国内唯一面向普通用户与开发者提供真实量子计算服务的云平台。作为国内量子计算领域的龙头企业，本源量子也受到了来自陕西的投资机构——中科创星的青睐。
“本源量子是2017年成立，我们看好企业的技术实力和发展前景，2018年我们天使轮投资了4000万元。”“硬科技”理念提出者，中科创星创始合伙人、联席CEO米磊告诉记者。中科创星是西安光机所联合社会资本创办的专业从事“硬科技产业孵化+创业投资”的一站式平台，为科技创业者提供专业、深度、全面的孵化及融资解决方案。
近日，知识产权产业媒体IPRdaily与incoPat创新指数研究中心联合发布了“全球量子计算技术发明专利排行榜（TOP100）”。本源量子以77件专利跻身全球第七，较上年度提升五位，也是国内唯一进入前十的量子计算公司，发展势头良好。
除了本源量子，中科创星还在光电芯片、航空航天、人工智能、精密制造等领域进行布局，截至今年9月，已经投资、孵化硬科技企业300余家，累计实现投资超过35亿元，打造了一批填补国家空白、打破国外*锁封**、有实力代表国家参与全球竞争的硬科技企业，硬科技在驱动经济高质量发展中的“头雁”作用也日益凸显。
米磊将硬科技定义为基于科学发现和技术发明之上，经过长期研究积累形成的，具有较高技术门槛和明确的应用场景，能代表世界科技发展最先进水平、引领新一轮科技革命和产业变革，对经济社会发展具有重大支撑作用的关键核心技术，而量子科技无疑正是硬科技的典型代表。
“习*平近**总书记关于量子科技发展的重要讲话进一步坚定了我们的发展信心，他指出，要保证对量子科技领域的资金投入，同时带动地方、企业、社会加大投入力度。作为硬科技理念的倡导者和硬科技产业孵化、投资平台，中科创星将密切关注量子科技领域的前沿技术，加大在量子科技领域的投资力度，助力科研机构和企业在基础研究、工程技术研发、产业发展等方面抢占量子科技国际竞争制高点，构筑发展新优势。”米磊如是说。（记者 霍强）
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探寻量子科技的奥秘
什么是量子科技？量子科技为什么重要？这都要从量子力学开始说起。
量子力学是量子科技的基础。量子力学发源于20世纪初，是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。随着量子力学相关理论不断获得实验支持，在100多年里催生了原*弹子**、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位系统等重大发明，改变了世界面貌。
复旦大学物理学系教授施郁表示，量子力学建立以后，成为整个微观物理学的理论框架，取得一个又一个的成功。量子力学解释了化学元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等。量子力学也在帮助人们理解宇宙。宇宙跨越各种尺度，从最小、最微观的基本粒子到可以看见的宏观世界，到天体以及整个宇宙，从光到基本粒子，到原子核，到原子、分子以及大量原子构成的凝聚态物质，量子力学都起了重要的作用，也因此成为现代技术的基础。
量子力学带来了丰富的科学技术。量子信息技术是量子力学的最新发展，代表了正兴起的“第二次量子革命”。在量子信息技术中，具有代表性的是量子通信和量子计算，这也是各主要科技大国重点抢占的战略技术高地。
量子通信是利用量子力学相关原理解决信息安全问题的通信技术。量子纠缠则是其中一个著名原理，两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”，无论相隔多远，一个量子状态变化，另一个也会随之改变。传统的通信方式有被*听窃**的风险，而在量子通信中，*听窃**者必然会被察觉并被通信双方规避。因此，量子通信常被称作信息安全传输的“保护盾”，在保密领域有很大应用前景。
近年来，中国量子通信技术取得多项突破性进展。2016年8月，中国发射了自主研制的世界上首颗空间量子科学实验卫星“墨子号”，此后，中国科研人员利用量子卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发等成果；2017年，全球首条量子保密通信骨干网“京沪干线”项目通过总技术验收……
量子计算则是各国优先发展的另一重点科技领域。虽然量子计算机距离大规模普及还有很长的路要走，但相关前景广阔。与传统计算机相比，量子计算机有独特优势。传统计算机中1个比特在某个时间只能是0或1中的一个状态，而在量子计算机里，由于量子叠加态的存在，1个量子比特可同时记录0和1两个状态。因此，量子计算机拥有计算能力远超传统计算机的潜力。但目前人类能同时操纵的量子比特还不多，量子计算机尚未走向大规模实用。
近年来，中国科学技术大学、清华大学等高校都在量子计算领域取得一些阶段性成果。百度、阿里巴巴、腾讯、华为等科技企业也相继出台了量子计算研究计划。 (记者 王梓萌)