如今，中国在量子信息领域的多个赛道已实现全球领跑，星地量子通信、光学量子计算等成果瞩目。但回望三十年前，国内量子研究领域几乎一片空白。中国最早引发国际学术界关注的量子信息成果，源自中国科学技术大学郭光灿院士与学生段路明的合作——二人1997年提出的段-郭量子避错码、量子概率克隆段-郭界限，为中国量子研究奠定了早期基础。此后，段路明在量子通信、量子计算领域持续深耕，2018年从密歇根大学归国加盟清华大学交叉信息研究院，2023年当选中国科学院院士，2024年带领团队实现300个离子量子比特规模的量子模拟计算，同年斩获国际量子奖。要探寻中国量子信息如何实现从0到1的跨越，段路明院士无疑是最具话语权的见证者与推动者。

段路明 | 中国科学院院士

一、解码量子：从微观特性到三大研究方向

Q：很多人都听说过量子，但实际上很少有人能真正了解这一概念。请问您平时是怎样向公众介绍量子领域的？

A：直觉上，量子确实距离我们很远。可以这么说，世界由无数极其微小的粒子构成，它们通常被称为“微观粒子”，而量子科学则是一门关于微观粒子基本特性的科学。微观粒子包括光子、原子、电子等，与我们日常所见的粒子特性迥异，它除了具备粒子性质，还呈现波动性。

关于波动性，我举个例子：往池塘里扔两个石头，形成的两个波会相互干涉，这就是“相干性”。由于微观粒子有量子相干性，多个微观粒子之间会存在一种经典世界中不存在的强关联形式，这就是“量子纠缠”。

过去几十年间，人们发现量子纠缠在信息处理方面蕴藏巨大潜力。如果用微观粒子编码信息、开展计算，能实现超快速运算以解决重大难题，这就是量子计算；如果用量子编码并传输信息，可建立安全的传输方式，即量子密码通信；以量子为载体，还能实现高精度测量，也就是量子精密测量。

量子计算、量子通信和量子测量是当前量子科学研究的三大主要方向。不过，现在的量子研究与早期有明显区别：早期工作旨在理解量子特性，现阶段则重点关注“如何通过量子的特性来操控量子”。

二、两次量子革命：核心是纠缠的理解与操控

Q：很多人说量子信息就是“第二次量子革命”。

A：两次量子革命最核心的区别，在于对量子纠缠的理解和操控。大家都在讲量子纠缠很难操控，但很少深入探讨“为什么难操控”。最根本的原因其实是——量子纠缠太容易产生了。

Q：此话怎讲？该怎样理解“很难操控是因为极易产生”？

A：任何一个粒子，只要与外界相互作用，就会产生纠缠。可以说，纠缠是无时无处不在产生的。但自然产生的纠缠都是不可控的，我们称这种不可控的纠缠为“噪声”，而我们研究中谈论的“量子纠缠”，特指可控的纠缠。

量子纠缠与噪声本质上是同一事物的两面，就像硬币的正反面。科学和工程领域所需的不是噪声，而是可预测、可测量、可利用的可控纠缠，这对实验环境的要求极为严苛。

三、奠基之作：段-郭成果与国际学术影响力

Q：多年前我读研时，就在郭光灿老师的量子光学课上听过您与他合作的“段-郭量子避错码”和“量子概率克隆段-郭界限”。可否具体解释一下这两个概念？

A：1994年到1998年我读研究生期间，量子信息、量子计算领域还很“默默无闻”。我和郭老师都出身量子光学领域，比较关注“光的相干性”这类概念，最早切入的方向是“相干性的损失”——这也是当时实现量子计算面临的最大难题。

为了保持光的相干性，我们研究出一种通过特定编码实现高水平相干性保持的方法，最初称为“相干保持态编码”，后来也叫“量子避错编码”。这在当时（包括现在）都是克服量子系统错误的重要方式。

量子概率克隆则与量子密码通信密切相关。量子密码通信的安全性，核心源于“量子态不可克隆”这一基本定理，该概念在1980年代已被提出。到了1990年代，学界开始探索跳出这一定理的约束，国际上大多退而求其次，追求近似克隆，但我们仍想实现完美克隆。

这种完美克隆不可能每次都成功，但成功时的结果是极致完美的。我们由此推导出实现完美克隆的最高成功概率，这就是“段-郭界限”。

Q：我读过《量子计算和量子信息》这本经典教材，似乎它引用的唯二来自中国科学家的成果，就是这两项。是这样吗？

A：是的。早期我国量子科研的国际影响力远不如现在，这两项成果是当时少数能在国际上立足的代表性工作。

四、突破瓶颈：DLCZ量子中继方案与长距离通信

Q：您后来提出的“DLCZ量子中继方案”，也是量子通信领域的重要突破。可否介绍一下这个方案的核心内容？

A：实现量子通信（包括量子互联网）的最大障碍是距离。光信号通过光纤传输十几公里后就会大幅衰减，经典通信可以通过放大信号克服这一问题，但量子通信面临根本性局限——量子信号是单光子信号，不可克隆、不可放大。这既是其保密性强的优势，也让长距离传输难以实现。

要解决这个问题，就需要借助量子中继——通过纠缠和量子态传输扩展通信距离，本质上是将长距离通信问题转化为纠缠产生问题。理论上，只要实现长距离量子纠缠，就能完成长距离量子通信，但这本身就是一项艰巨挑战。

我们的方案是将长距离拆分为多个十几公里的短段，每段都实现量子纠缠并存储在量子存储器中，再将各段纠缠连接，形成完整的长距离纠缠。同时我们证明，这种方式不会出现指数衰减，仅需承担线性或多项式衰减的代价。

这个方案提出后，引发了国际学界的广泛关注，很多团队都跟进开展相关研究。目前中美两国都将实现量子中继视为量子通信领域最重要、也最困难的目标。

Q：这是全球首个完整的量子中继方案吗？

A：可以这么认为。量子中继的概念很早就有，但早期方案与实际实验脱节严重。我们2001年提出DLCZ方案后，学界才看到了实验落地的可能。2003年，加州理工学院和哈佛大学的两个实验组就各自独立完成了量子中继的第一步实验，成果都发表在《自然》（Nature）杂志上。

Q：您认为量子中继什么时候能进入实际应用阶段？

A：过去二十年，量子中继的核心概念、关键难点都已在实验室得到演示和验证，现在最核心的任务是系统整合。早期工作就像“打地基”，外界看不到明显进展，甚至会觉得量子中继不如直接通信。但只要地基打牢、做好第一个纠缠连接，后续工作就能水到渠成。我预计，未来五到十年，量子中继会出现重大突破。

五、技术跨越：从一维到二维的离子阱量子计算

Q：您还提出了“基于二维阵列和光子网络互联的规模化量子计算方案”，能否介绍一下这部分成果？

A：离子量子计算是量子计算领域最具影响力的方案之一，核心难点在于系统规模化。2004年，我们提出通过光量子互联实现系统扩容；2014年左右，又提出二维阵列理论方案，但当时同行普遍认为这些方案实验难度极大。后来我们在清华大学组建团队，亲自推进实验研究。2024年，我们在《自然》发表论文，宣布实现了300个离子量子比特规模的量子模拟系统，这也是目前国际上最大规模的量子模拟系统。

Q：这是否意味着实现了从一维到二维的关键跨越？

A：没错。在此之前，全球最大的量子模拟系统也局限于一维，仅五十多个量子比特，学界都在一维体系内探索。我们的突破在于首次在二维体系上实现了大规模量子模拟。

Q：为什么此前大家都局限于一维体系？高维体系能大幅增加量子比特数，却很少有人尝试？

A：这与离子阱的特性密切相关。离子阱通过电磁场囚禁离子，主流的“Paul阱”设计有个局限：离子通常只能排成一列；若尝试构建二维或三维体系，离子会出现“微运动”这种不规则运动。过去学界普遍认为微运动不可控，属于严重噪声，无法用于量子计算。

我们率先从理论上证明，即便存在这类噪声，仍能实现高保真度量子计算。实验层面，一维体系易于稳定，二维体系则难度极高，我们通过优化实验方法（如采用低温离子阱）提升系统稳定性，首创了低温阱与大规模离子囚禁相结合的技术，目前实验室已能稳定囚禁一千多个离子。这套方案影响力很大，现在国际上很多团队都在沿用这一思路开展研究。

六、科研方法论：理论与实验的深度融合

Q：您是学界罕见的在量子信息理论和实验两方面都有杰出贡献的科学家，如何做到这一点？

A：回国前，我是美国密歇根大学的费米讲席教授。费米是物理学界的全才，既精通理论又擅长实验，担任以他命名的教职，自然要以他为榜样。（笑）其实从奥地利因斯布鲁克大学访问期间开始，我就一直注重理论与实验的结合。我们的很多理论研究都紧扣实验需求，也会频繁与实验团队沟通。

这种结合让我们既能理解实验逻辑，又能精准定位实验瓶颈，再结合理论思想寻找突破点。理论与实验的交叉点往往就是创新点，这也是我指导学生的核心思路——导师能为实验瓶颈指明方向，学生团队就能更有针对性地摸索，逐步积累实验技术，最终实现突破。

Q：这让我想起任正非的话：“让听得到炮火声的人决策”。

A：物理学终究是一门实验科学。理论与实验的紧密结合，一方面需要理论提供可行的“素材”，另一方面研究者必须贴近实验系统，摸清实验室最迫切需要解决的问题。脱离实验的理论就是空中楼阁，脱离理论的实验则容易陷入盲目。

七、未来展望：规模化量子计算与技术突围

Q：量子计算有超导、光学、离子阱等多条技术路线，各学派都认为自己的路线最优。中科大陆朝阳教授认为，量子计算不会像经典计算那样收敛到单一体系，可能呈现“百花齐放”的格局。您怎么看？

A：这种可能性很大。比如量子互联网的核心目标之一，就是将不同物理体系的量子计算机、实验平台互联，发挥各自优势。而光互联技术就能实现这一点——将超导比特等静态比特与光子比特（飞行比特）连接，进而打通离子、原子、金刚石、超导等不同体系。我们下一步计划就是尝试实现离子与金刚石、超导体系的互联。

Q：您为何选择离子阱路线？它的优劣势的是什么？

A：离子阱量子计算在全球影响力广泛，过去国内在这一领域与国外存在差距，但经过多年积累，我们已不再是跟跑者。尤其是二维离子阱体系的突破，让我们在量子比特规模上远超美国团队。不同技术路线各有千秋，离子阱的核心优势在于保真度，美国有团队已实现99.9%的逻辑门保真度，这一数值在所有技术体系中都是最高的，甚至超过超导体系。

Q：下一步的研究重点是什么？

A：核心目标是实现规模化量子计算，这也是整个领域的核心命题。一方面要继续扩充量子比特数，目前我们能实现几百到上千个量子比特，但距离终极目标仍有差距——无论哪种技术路线，都需要达到百万量子比特规模，才能构建通用量子计算机，成为服务科研和工业的基础工具。

另一方面，我们希望中国能在量子计算机核心技术上实现更多突破，摆脱类似经典计算领域被“卡脖子”的困境。量子计算是颠覆性技术，但距离成熟应用还有很长的路要走，我们必须保持耐心。

Q：这让人想起比尔·盖茨的话：“我们经常高估了一两年的变革，却低估了十年后的变化”。

A：长期来看，颠覆性技术终将改变世界。以人工智能为例，前期经历了漫长的积累期，公众关注度不高，但拐点到来后，迅速重塑了整个社会。我们期待量子计算的拐点能尽快到来。

八、终极想象：量子计算如何改变世界

Q：如果量子信息实现大规模应用，会给世界带来哪些变化？

A：我们身处信息社会，经典计算机、人类大脑、人工智能，都是不同层级的信息处理工具，而从原理上讲，量子计算是最强大的信息处理方式——数学上可以证明，没有任何计算工具比量子图灵机更强大。

就像经典计算机早期，没人能预料到它会催生手机、互联网等海量应用；一百年前，人类也无法想象能造出手机这样复杂的设备。现阶段，我们的核心任务是造出量子计算机这台“魔法机器”，一旦成功，它必将在科研、工业、民生等领域催生无数新应用，重塑社会运行逻辑。

Q：您认为量子信息领域亟待攻克的核心问题是什么？下一个锚点在哪里？

A：核心问题只有一个——实现量子计算的规模化。这是整个领域的突破口，也是未来十年最关键的奋斗目标。