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对话郭光灿院士:量子领域的竞赛还没有结果,正是我们的好机会
新京报 记者 罗亦丹 编辑 赵泽
2020-10-24 19:14
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郭光灿院士说,这个时代量子计算机还没有成熟,世界各国都处在竞争中,只有把通用量子计算机做出来,才算赢。

量子科技,一个看起来高深莫测的科技词汇,因为中央政治局的一次集体学习迅速成为热词,围绕什么是量子科技、我国在该领域的研究成果、量子科技如何影响现有产业等问题的讨论也持续火热。

10月22日,新京报贝壳财经记者就量子科技的相关问题专访了量子信息专家——中科院院士、中国科学技术大学郭光灿教授。郭院士在量子光学、量子密码、量子计算、量子信息等众多研究方向取得一系列优秀成果,是量子科技的先行者和开拓者。

郭光灿介绍,目前我国在量子领域的整体研究水平处在国际第一梯队的位置,量子科技多应用在国防领域,如果未来通用量子计算机得到了广泛应用,对医药、农业、人工智能等行业都会产生重大影响。不过,他也坦陈,量子科技距离实用化还有一定的距离。

“这个时代量子计算机还没有成熟,世界各国都处在竞争中,只有把通用量子计算机做出来,才算赢。” 郭光灿说,我们要培养更优秀的年轻人投入到量子信息研究的行列里去,希望青年人把自己的兴趣爱好和国家利益紧密结合。


量子信息专家,中科院院士、中国科学技术大学郭光灿教授。 受访者供图


1. 谈量子科技与生活

量子力学早已进入生活,量子科技将改变生活


新京报:我们普通人感觉量子科技离我们很遥远,可否举几个例子让我们感知量子科技的存在?

郭光灿:量子力学实际上早就应用到日常生活中了,例如现在我们用的手机、电脑,它的原理就是量子力学,但老百姓不知道它来源于量子力学。现在的手机、电脑是使用量子力学开发出来的经典技术,它们的核心装置是芯片,芯片里面的处理器基本单元是晶体管,晶体管是根据量子力学里面的能带理论制造出来的,晶体管造出来之后才有手机、计算机的芯片。还有当今互联网传输信号必须使用的激光,它是根据爱因斯坦的光量子辐射理论产生的,不过激光本身是经典的,它的量子效应很低,所以可以忽略。由此可知,现代的手机、电脑、互联网都是来源于量子力学开发的经典技术。

真正的量子科技确实离广大民众还很远,因为还没有一种量子产品成为老百姓的必需品。目前市场上有很多带着“量子”二字的产品,什么“量子水”、“量子鞋垫”,这些都是假的,都不是量子产品,短时间内量子产品也不可能走进千家万户。目前量子信息技术还处在初级阶段,如果到了产品阶段可以试用了,首先会在国家重要部门先试用,普通人还感受不到,只有量子计算机的普及用到各个领域了,老百姓才会感受到。

新京报:量子科技在哪些领域可以影响甚至颠覆现有产业?量子科技将会如何影响普通人的生活?

郭光灿:
目前,量子科技还处在应用基础研究的阶段,目前应用最多的还是在部队、机要部门,如量子密码体系已经开始试用,但由于代价很高,所以在保密性要求不高的地方还用不上量子密码,我们现在是把有用的东西先拿到国防领域去试,能够为国防建设发挥作用的,我们再提高效率、提高精度,这种作用会逐步增加,最终形成对整个产业有重大的影响。

展望未来的话,如果通用量子计算机得到了广泛应用,那么各个行业,医疗、农业生产、工业生产、人工智能,整个社会方方面面都会受到量子技术的影响,量子计算机能够超过电子计算机,密码领域量子通信可以提升传输的安全,量子传感可以测量很多很重要的参数。

医疗方面,我们生产新的药物的速度会大大提高,这是因为新药制造需要计算机模拟哪个配方是最有效的,使用电子计算机模拟非常慢,但量子计算机很快就能计算出来,这就关系到老百姓的身体健康;人工智能方面,无人驾驶汽车传感器处理的速度如果使用量子技术的话反应能力就更快,性能就会提高;农业方面,量子计算机出来后,可以研究清楚光合作用是怎么回事,有科学家预言,如果这个应用研究成功了,太阳能的利用会从现有的10%提高到20%~30%,农业会出现跳跃式发展,全球老百姓的吃饭就不会有问题,这对普通人的生活就非常有用。总之,现代大众在使用的技术,插上量子的翅膀后性能都会大大提高,每个人都能感受到。

2.谈量子研究现状

我国量子信息技术研究处在国际前列


新京报:中央政治局集体学习时提到,量子力学是人类探究微观世界的重大成果。那么,该如何理解量子这个概念?

郭光灿:
1900年,普朗克第一次把量子的概念引到物理学来,目的是为了解决“紫外灾难”问题。普朗克心中的量子是“能量的最小单元”,也就是说,能量是一份一份的,有一个最小的单元。但这个“量子”在普朗克心中是虚构的,不是真实的,所以普朗克研究了十几年也没有把这个“心中的怪物”消灭掉。

爱因斯坦说量子本身就是真实的物理实在,是客观存在的,例如光量子。光量子具有波粒二象性,是光束里面最小的单元,也是能量单元,它有动量、有能量,是一个粒子,所以叫光量子或者光子。

此后,量子变成实在的物理课题,德布罗意再把波粒二象性推广到所有的物质,成为物质波,所以到德布罗意时期,具有波粒二象性的微观粒子都叫量子。

量子力学诞生以后量子的概念有很大的发展,量子不仅仅是微观粒子了,宏观上,像我们现在做到量子计算机、量子密码它都不是能量的最小单元,但他是量子的。为什么说它是量子的?因为它的运动规律是按照量子力学运行的,我们现在更准确的说,凡是运动规律符合量子力学的粒子或系统,都叫量子。

需要注意的是,现在有一些号称“量子水”、“量子眼镜”,那些根本和量子力学一点关系也没有,只是炒作一个概念,要判断这个东西是不是量子的,不是要看大小,也不是要看带不带量子这个名字,而是要看是不是必须用量子力学来处理它的运动规律,如果不是,那就不是量子的。

新京报:中央政治局集体学习时提出,总体上看,我国已经具备了在量子科技领域的科技实力和创新能力。同时,也要看到,我国量子科技发展存在不少短板,发展面临多重挑战。以你对该领域的认识,我国在量子领域的国际地位如何?

郭光灿:
我们国家在量子领域的整体研究水平处在国际第一梯队的位置,细分来看,我们在量子密码领域跟国际一流是不相上下的,但我不能说它领先,因为美国从2015年开始就不再公布他们的研究成果了,我们不知道他们在什么程度,自然也不能说领先他,但我们可以说不会输他,我们是一流水平。而量子信息技术,我们可以实现世界上最高维度的量子纠缠,可以实现最高粒子数的纠缠,也可以达到世界上最高的纠缠的保真度,所以我们量子信息技术也是居于国际前沿的。

量子计算机我们落后美国大概五年以上的水平,但我们在这个领域也占有一席之地。近期空客集团发起了一个竞赛,请全世界搞量子计算的人使用量子计算机来解决某些问题,一共有36个单位参加,入围决赛的5家单位中我国就有一家。

量子技术领域的基础理论在20世纪80年代末90年代初已经基本完成了,量子计算、量子密码、量子通信的基本原理在国际上已经完成了,那都是国外完成的,国内没有贡献。我国最早于1997年、1998年、2000年在国际上有影响的《物理评论快报》上发表了三篇关于量子信息的文章,让世界听到了中国在这一领域发出的声音,那是我们第一次在国际上有发言权。而我们最近20年的工作就是此前已经完成的理论怎么在物理上实现。

3. 谈量子科技应用

量子科技研究一定要有实际应用价值


新京报:在你看来,目前量子领域研究最难攻关的地方在基础理论研究还是实际应用?能否举例说明?

郭光灿:
实际应用方面,以量子计算机为例,根据量子计算机的原理,它是绝对能够超过电子计算机的。因为电子计算机处理数据的方式是串行运算,即存储器只能存一个数,我操作一次就变成另一个数,所以操作是一步一步的。量子计算机从原理上是并行处理,我操作一次可以把2的N次方数据变成另外2的N次方数据,所以我操作一次,相当于电子计算机操作2的N次方串行的次数,这就是量子计算机能够超过电子计算机最重要的物理原因,这个物理原理科学家早就认识到了。现在我们要做的是怎么在物理上实现这种并行处理的器件,这种器件的能力与它单个芯片里面有多少个量子比特有关,量子比特就是那个“N”。当N达到一定程度,它一定可以超越所有电子计算机的能力。

虽然理论上已经证明过了,但实现起来还是很难。比如量子芯片并行处理能力的优点在于采用量子相干性,但量子相干性非常脆弱,很容易受到环境的破坏。能够保持量子相干性的时间叫相干时间,这个相干时间很短,这就是现在阻碍量子计算机制造成功的一个障碍。设法把相干时间拉长的技术就叫做容错纠错技术,使用这种技术可以让处理问题的时间更长,但要做到容错纠错,在技术上很难,他要求每一次操作的精度到达99.99%,这个非常难做到,实际器件里达不到,纠错容错达不到。

现在能做到的是把单个处理器里的“N”尽量增加,现在国外使用超导技术(但不使用纠错容错技术)做到了53个,已经演示了用200秒的时间算一个特定问题,该问题如果使用经典超算计算机要用一万年,此时量子计算机超过了电子计算机,国外就说他们已经达成了“量子霸权”。但需要注意的是,它只是针对一个特定问题的超过,这个问题并没有实际作用,所以现在量子计算机的演示还是在初级阶段。如果我们找到一个有实际应用价值的问题,量子计算机能够演示远远超过经典超级计算机的速度,那才算真正实现了“量子霸权”。

需要说明的是,这个“N”,即芯片上处理器的数量,一定是能可以编程的,如果这个“N”不能编程,就不能算量子计算机的量子芯片。比如我做到24个量子芯片,但不能操控,这个就不算量子计算机的芯片。从有用的价值来说,目前我国能够做出来的是6个量子比特的量子计算机,这个计算机的水平相当于IBM公司2016年的水平,这6个量子比特我们很快可以再升级,IBM目前升级到了50几个,我们年底可能升到24个,明年可能升到60个。第一步是我们也跟上,做出一个真正有用的量子计算机,让大家都能用,这个第一步不说是最先进,但最起码也是我们迈开的很有用的一步,此后再往下发展可能就快了。

而基础理论研究方面,基础理论成熟后,怎么把它做出来?做出来的过程中,就有很多应用基础理论的问题,比如说这个材料怎么能让相干时间拉得更长,如果拉得不长,器件就做不出来。那么为什么相干时间短呢?此时就要去做基础研究,去研究什么东西会影响相干时间变长,所以这种应用基础研究也有理论的工作,我们现在面临的理论问题有一些创新,比如量子计算机什么结构最好,什么物理体系做最好,这有很多理论工作,但这个理论不是量子信息原理性的理论,而是创造实现当中遇到的基础理论问题,我们要不断地解决这些问题,才可以把器件做的更好,所以后面要解决的理论问题,就比较偏重于实际系统碰到的理论问题。

现在,我们攻关的重点是如何使用纠错容错技术,做出能够真正解决实际问题的专用机,这也是世界的难题。目前,我们也能把“N”提高,希望提高到能够解决国防军事上面对的困难,哪怕解决一个问题,都能做出一个实际贡献。

4.谈量子研究竞赛

最终把通用量子计算机做出来,才算赢


新京报:中央政治局集体学习量子科技,科技部有关负责人日前也表示,加强前瞻部署和大力发展以智能技术和量子技术为特征的新一代高新技术,打造我国高新技术先发优势。如何看待目前国家对发展量子科技的重视?

郭光灿:
中央把量子信息这个新兴的方向作为国家的战略定位来给予支持是非常重要的,相信国家只要花大力支持,我们就会发展的更快,我们要让国家投入到量子信息领域的钱真正能够对国家的国力提升、国际竞争发挥重大作用。

这个时代量子计算机还没有成熟,世界各国都处在竞争中,虽然我们可能起步慢一点,但如果做好了还是能超过别人,最终把通用量子计算机做出来,才算赢。现在这个竞赛还没有结果,正是我们国家的好机会,如果我们做不好,失去了这个机会,那我们就辜负了中央对我们的期待,我们做不好就对不起国家,更对不起时代,对不起这段历史。什么叫失去了机会?如果未来量子计算机、量子芯片还要向美国人买,那我们就回到了电子计算机时代,让国外控制我们,我们的实力就不行,所以我们现在负责做这件事的人,应该心胸开阔,眼光要看的远一点,能够团结国内的科技队伍,齐心协力攻关,为国家真正在量子信息这个新兴领域里占据有利地位做贡献。

新京报:如何看待“要建立以信任为前提的顶尖科学家负责制,给他们充分的人财物自主权和技术路线决定权”这句话?

郭光灿:
第一个方面,就是让科学家有更大的自主权来开辟量子信息新技术的研究,让它有更大的活力。因为这种研究最后的结果是未知的,一般来说,你提出一个项目,会有一个指标,做不到指标就完不成任务。但科研活动是创造性的,不可完全预知的,所以应该给科学家充分的信任和自由,哪怕失败了,也是有益的探索。

第二方面,整个国家计划的决策群体责任就更重大了,必须心胸宽阔,能集思广益,能广泛听取科学家们的意见,充分讨论,才能确定对国家最有利,最有价值的研究方向、目标、布局,如果我们主攻方向错了,就会落后,谁也负不起这个责任。同时,在国家的支持下,给钱给政策了,决策群体应该把国内的研究力量尽可能团结起来,给予足够多的经费,不搞小圈子,把国家利益放在最优先的位置。

5.谈人才培养

应该从大学开始培养量子信息领域基础知识


新京报:你认为应该如何鼓励优秀青年人才加入量子科技的队伍?

郭光灿:
我觉得需要青年队伍,量子信息发展不是一年两年,十年二十年(的事情),而是一代一代的问题,所以我们一定要培养更优秀的年轻人投入到量子信息研究的行列里去。

现在应该从大学生开始培养量子信息领域的基础知识,吸引更多优秀人才投入到这里。所以搞教育、科普非常重要,这也是我现在正在做的,我正在做以所有大学生为对象的高级科普课,想从最基本的量子论如何诞生到怎么开拓出量子技术、量子计算机,讲一门从基础到前沿的课,目的就是想让全国所有大学水平的年轻人和社会有兴趣的人来阅读,他们读完后对量子有兴趣,就可以吸引进来,再通过专业课考核成为我们自己培养的研究生。

现在我们确实需要自己培养人,以前我们还有一些从国外回来搞量子的人,虽然不多,但总有,那是因为当时美国等西方国家还允许我们的年轻人到国外去读相关专业的研究生,但现在美国等西方国家在限制我们的大学生到国外读高技术方面的研究生,封锁了我们的人才,这就意味着未来不可能有更多的海归人才了,我们更需要自己培养。我们过去从国外引进高水平人才,是为了输血,但我们更需要自己造血,这才是国家强大的一个标志。所以我们培养人才非常重要,尤其是量子信息这种高技术,国外对我们是封锁的,美国不会甘心让中国超过它,所以不可能替我们培养人才。

中国人才非常多,美国很多重要科研成果都是华人学生做出来的。未来这些人出不去了,我们在国内同样可以培养。我们需要在我们的国土上培养出具有国际竞争力的优秀人才,现在,我们自己也有这个能力,这个工作我做了几十年,目前我的实验室里培养出了6个“杰青”,13个“优青”,都是靠自己培养的,不是从国外回来的,这些年轻人都已经在国际上很有影响了,所以我们可以培养自己人。

新京报:想要投身量子科技建设必须是物理系出身吗?你对想学习量子信息技术的青年人有何建议?

郭光灿:
量子本身属于物理方面,但作为技术发展,它也需要工程师,需要软件方面、数学方面的人才,例如我们实验室搞量子信息的人员,不仅有物理系的,各个科系的都有,人才只要能用上,再后补量子力学也可以,因为最后从量子做出成绩一定要学量子力学。但是研究器件等工作也不一定都是量子,例如量子工程师不需要对量子那么精通,不一定要物理系毕业。

我希望学习量子信息的青年人才,不要把个人利益放在第一位,要把自己的兴趣爱好,自己追求的事业和国家的利益紧密结合,年轻人应该立下这种志气。

新京报:作为一名科学家,你对量子科技的未来有什么期待?

郭光灿:
我期待两方面,第一点,我们开拓出量子信息技术,包括量子计算机、量子传感、量子模拟,所有这些新技术能够为人类社会方方面面做出贡献。第二点,量子世界非常奥妙,量子纠缠等现象背后的奥秘到现在还没有揭开,这是因为一百多年前我们还没有量子工具,我们只有经典工具,拿经典工具来研究量子世界的奥秘是研究不清楚的,因为拿粗糙的工具去研究更高深的东西是得不到全部信息的。现在我们有了量子信息技术这个“量子钥匙”,就可以打开量子世界的大门,探索量子世界的奥妙,这对我们提高人类对自然界的认识,对量子世界的认识会起到非常大的作用,这种认识提高后,反过来我们会发现量子世界更多的性质,可以开拓出来为人类服务。

新京报贝壳财经记者 罗亦丹 编辑 赵泽 校对 李世辉

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