陆朝阳：量子计算，仍在山脚下

光子盒研究院出品

1982年出生的陆朝阳，已经达到了量子领域内许多人难以企级的高度。

光是2020年这一年，他就获得了2次国际上对于中国科学家的首次表彰。

一次是美国光学学会（Optical Society of America, OSA）公布，授予陆朝阳2020年度阿道夫隆奖章（Adolph Lomb Medal）。这是该奖章自设立80周年以来，中国科学家在本土的研究工作首次获得该奖。

另一次则是美国物理学会（American Physical Society）公布，授予陆朝阳2021年度“兰道尔—本内特量子计算奖”。同样的，这也是他作为国内首位科学家荣获该奖。

这两个奖项均是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。

在这一年，最受瞩目的是潘建伟、陆朝阳及其团队在12月公布的“九章”量子计算机，这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性，也叫“量子霸权”。

陆朝阳给人的一贯印象：一副黑框眼镜常年立于鼻梁之上，头发总是立起来的，瘦削但是非常有精神，常年白色或蓝色衬衫加西裤的穿搭。

回到20多年前的浙江东阳市，青涩稚嫩的陆朝阳和中国所有学子一样，坚信知识改变命运，对学习充满了极大热情，对未来充满了向往。

当他从小镇考取到市级中学东阳中学后，凭借着自身的聪明好学，充分汲取学校的优质教学资源。也正是在这里，点燃了陆朝阳对物理的终生兴趣。

东阳中学素以理科教育见长，几任校长都是物理老师出身。对资优学生，东阳中学特别注重培养学生学习的兴趣和锲而不舍的精神。真正影响他一生的一件事，还是16岁那年听的一次讲座。

1998年春节前，东阳中学邀请来潘建伟做了一次公共科学讲座。当时潘建伟所在的奥地利因斯布鲁克大学Anton Zeilinger课题组刚刚完成了国际上首次量子隐形传态实验。在这次讲座，潘建伟介绍了一些量子理论的基础知识以及他们正着手做的研究。这次的讲座极大地震撼了陆朝阳，也坚定了他投身物理研究的信念。

高中时代接触的物理主要还是经典物理，如牛顿三大运动定律、电磁场、动量守恒等等，再深一点则是爱因斯坦的广义/狭义相对论。量子物理具有科幻般的未来感又有着哲学般的神秘感，充满了想象力、吸引力与思考性，这给陆朝阳带来了极大的冲击，一下就占据了他的脑海，难以忘却。

后来，陆朝阳高考顺利考入中国科技大学物理系。成绩优秀的他，在本科毕业后原计划被保送到微电子专业读研究生。险些与量子物理失之交臂。

然而，与潘建伟的再次相遇，改变了他的想法，并由此进入一个全新的领域。

按照陆朝阳最初的规划——考取中国科大物理系，保送微电子专业继续深造，然后专注研究。照这条路就这么走下去，意料之中，顺风顺水。

直到在同乡会与潘建伟教授的一番交谈之后，他开始有了更多的思考。否则中国将失去一位量子计算领域的优秀科学家。

“和潘老师交谈以后，我就修改了志愿。”陆朝阳回忆说。受到潘建伟教授一番话语的启迪，原本要保送中科大微电子专业研究生的陆朝阳修改了自己的志愿，研究起了量子物理。

师从潘建伟教授的陆朝阳在读研期间就取得了两项重要成果，一个是在国际上首次实验了对六光子纠缠的操纵，另外一个是在国际上首次用光子比特演示了量子信息领域一个重要算法：肖尔大数分解算法。

这两个成果后来分别入选了该年度的中国十大科技进展和中国高校十大科技进展，陆朝阳年少成名，后来更被誉为“天才科学家”。

而这些“天才”成果的背后，则是陆朝阳放弃假期，常年泡在实验室中，把实验做到极致的坚持。

在潘建伟教授的举荐下，陆朝阳博士就读于培养出30多个诺贝尔奖获得者的卡文迪许实验室，专攻量子点单光子源和电子自旋操纵方面的研究。这是潘建伟有意识的团队建设布局，希冀通过陆朝阳的学习填补国内量子领域这一方向的空白。

在国外深造期间，陆朝阳曾收到潘建伟教授的一条短信，这条短信至今保存在他的手机里。“朝阳，我正在人民大会堂看《复兴之路》，感触良多，甚望你能努力学习提升自己，早日学成归国为民族复兴，科大复兴尽力！建伟。”

在导师的激励下，不到三年的时间他完成了剑桥大学的博士论文，在完成博士论文答辩的同时，还入选了剑桥大学丘吉尔学院的Fellow（入选比例约1%）。

带着国际最前沿的技术、理论和知识，陆朝阳归国。

对于自己的回归，他认为理所应当。他在与学弟学妹交流时常常表达这一观点：“同样做一项科研，如果能在国内做，就算更艰苦些，为什么不回去做呢？那样更有成就感。”

回国后，28岁的陆朝阳成为中科大最年轻的教授，主攻光学量子计算和超导量子计算这两个方向。

在多光子纠缠和光学量子计算领域，陆朝阳及其同事依次完成了六光子纠缠、八光子薛定谔猫态、十光子纠缠和十八个光量子比特的纠缠。

在实现固态体系高品质单光子源和可扩展量子计算的领域，陆朝阳及其同事逐步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源。

17年利用高品质量子点单光子源构建了用于玻色取样的多光子可编程量子计算原型机，这是国内第一台超越早期经典计算机的光量子计算机。

实验测试表明，该原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少2.4万倍。也是世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机。

2019年，潘建伟、陆朝阳团队利用自主发展的国际最高效率和最高品质单光子源、最大规模和最高透过率的多通道光学干涉仪，并通过与中科院上海微系统所尤立星在超导纳米线高效率单光子探测器方面的合作，成功实现了20光子输入6060模式（60个输入口，60层的线路深度，包括396个分束器和108个反射镜）干涉线路的玻色取样实验。

与国际同行的类似工作相比，实验成功操纵的单光子数增加了5倍，模式数增加了5倍，取样速率提高了6万倍，输出态空间维数提高了百亿倍。其中，由于多光子高模式特性，输出态空间达到了三百七十万亿维数，这等效于48个量子比特展开的希尔伯特空间。

这一成果为“九章”量子计算机的诞生奠下了基础。

回顾陆朝阳近20年的研究生涯，正是“有理想有本领有担当”的中国青年科学家成长之路。

作为一个年少成名的科学家，注定要背负很多人的期待。陆朝阳用脚踏实地的出色表现，回应了所有人的目光与考验，不负众望，硕果累累。

世界上不缺天才，缺的是始终如一的热忱。

2020年12月4日，这是一个历史性的时刻。

潘建伟、陆朝阳团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98%的100模式干涉线路，相对光程10-9以内的锁相精度，高效率100通道超导纳米线单光子探测器，成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机。

根据目前最优经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。

同时，通过高斯玻色取样证明的“量子霸权”不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了1030（“Sycamore”输出量子态空间规模是1016，目前全世界的存储容量是1022）。

这一里程碑式的成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。此外，基于“九章”量子计算原型机的高斯玻色取样算法在图论、机器学习、量子化学等领域均具有潜在应用，将是后续发展的重要方向。

值得让人关注的是，实现“量子霸权”的团队是一支以青年人才为主体的队伍，团队28人中有18位是35岁以下青年，占比达64.3%。

光是陆朝阳带领的研究小组中，20名学生几乎都是90后。其中，陈明城、王辉、邓宇皓、钟翰森就是这次“九章”工作的作者之一。

“作为导师，没有什么比看到学生茁壮成长和扬帆远航更满足。”接下导师潘建伟的接力棒，陆朝阳开始培养新一代年轻科学家。

“九章”问世后，业内的表现如同一锅沸腾的水，而陆朝阳的表现则显得更加平静。

“量子技术的实用化是一场接力长跑。”

实现“量子优越性”只是征服星辰大海的第一步，下一步则是研究可用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）的量子计算机，最终目标是实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

“我们仍在山脚下。”陆朝阳和他的团队正在马不停蹄地奔向下一个未来。