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【四川日报】对话中科院院士、国内量子研究开拓者郭光灿——搞量子科技不能盲目 四川可从软件介入


编者按:2020年11月9日,四川日报以《对话中科院院士、国内量子研究开拓者郭光灿——搞量子科技不能盲目 四川可从软件介入》为题,对我院名誉院长郭光灿院士进行采访报道。

扫一扫,数读“量子川军”

中共中央政治局一次集体学习,让量子科技成为关注焦点。

提起“量子”这个词,你可能并不陌生。但到底什么才是量子科技?它距离产业化应用还有多远?将带来怎样的产业变革?如今又面临哪些瓶颈……带着问题,四川日报全媒体记者近日专访了国内量子研究的开拓者和领军科学家之一,中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿。

郭光灿认为,只要找准自身优势,加大支持力度,四川完全有可能在量子科技研究方面实现快速发展。至于产业化方面如何弯道超车,他也给四川“量身定制”了相关建议。

□四川日报全媒体记者 熊筱伟

A

谈概念

量子世界是不确定的世界

●量子有很多“奇奇怪怪”的性质,量子科技就是在量子力学理论的指导下,把这些特性开发出来为人类服务

记者:该怎么理解量子、量子力学、量子科技这几个概念?

郭光灿:传统认知中的物质,要么有粒子性,像飞机导弹,要么有波动性,像电磁波和声波,它们共同构成一个遵从经典物理规律的经典世界。这当然是一个“确定的世界”,像导弹运动轨迹,我们完全可以计算出来。

但在微观世界,有些物体会同时具有波动性和粒子性,它们遵循的物理规律和经典世界的完全不同。那它们究竟遵循什么物理规律?量子力学,就是研究这个问题的一门科学。而量子,就是运动规律遵从量子力学的那些物体,包括光子、电子、原子、夸克等等。

至于量子科技,个人理解是从量子力学中开拓出来的技术,它们都遵从量子力学的理论。而作为人类最成功的理论之一,量子力学的“预言”都在实验中得到证明,所以量子科技在原理上是没有问题的。尽管技术上有难度,只要我们坚持去做,就一定能实现突破。

记者:您提到经典世界是“确定的世界”,那量子世界呢?

郭光灿:量子世界是一个不确定的、概率性的世界。这就要说到量子特性,比如不确定性、量子纠缠、量子不可克隆等等。

举个例子,假设成都到北京有坐飞机和坐火车这两个选择。你要到北京来,不管怎样只会选其中一种,毕竟坐了飞机就不可能坐火车。但在量子世界里,成都到北京有两条路,走哪条路?两条路同时走。这就是量子的不确定性。

记者:两条路同时走?想象不出来会是什么样。

郭光灿:正常。量子有很多“奇奇怪怪”的性质,和我们经典世界完全不一样。科学家们在做的,就是要尝试把这些“奇怪”的特性开发出来,为人类服务。

B

谈应用

市场上的量子产品是伪科学

●计算机、传感、密码、网络,未来都有可能开发出相关应用,最有可能率先投入应用的是量子密码。而标志人类量子时代到来的,则是通用量子计算机的诞生和广泛应用,这需要多久还不能确定

记者:利用这些特性,量子科技可能会带来哪些产业化应用?

郭光灿:从目前来看,量子计算机、量子传感、量子密码、量子网络等,未来都有可能开发出相关应用。

像量子传感,就利用了量子信息容易受外界环境破坏的特性。比如只要电磁场稍有变化,量子态就会发生改变。测量这种改变,就能反推电磁场变化。用这种方法,能大幅提高传感器的灵敏度、精度和响应速度。

至于量子密码,可以让信息传递变得更安全。像如今保密通讯都是传统通讯加密码,这样做容易被窃听。而用量子密码来加密,就很难被破解和窃听——只要有人试图窃听,就会破坏量子信息,从而让通信双方马上发现并做出应对。

顺便说一句,有人误认为这就是量子通讯,其实它是“量子密码+传统通讯”。真正的量子通讯,不是要替代5G、6G,而是利用量子纠缠把不同计算机联成网络,从而形成超强的计算能力。这在未来分布式计算领域会有用武之地。

当然还有量子计算机。可以说人类量子时代到来的标志,就是通用量子计算机的诞生和广泛应用。

记者:为什么量子计算机这么重要?

郭光灿:因为它带来的影响可能最大。回想一下,当人类有了电子计算机,整个社会经历了怎样翻天覆地的变化。同样作为重大颠覆性技术创新,量子计算机也会推动社会生产力大踏步前进,引领新一轮科技革命和产业变革方向。

一个事实是:从各方面看,量子计算机都会比电子计算机强很多。电子计算机处理数据的方法,是同一时间只处理一个数,依次计算,这叫做串行运算;而量子计算机,可以利用量子不确定性,同一时间处理很多个数,这叫做并行运算。这当然会比电子计算机快很多。

具体快多少?2的N次方倍。N是指量子处理器中量子比特的数目。有10个量子比特,就是快2的10次方倍,呈指数级上升。像去年谷歌在《自然》杂志上发文称,其研发的量子处理器只需要200秒,就能完成传统超级计算机需要1万年才能完成的计算量。

记者:这些应用的相关技术成熟了吗?哪些最有可能率先实现产业化?

郭光灿:总体而言,量子相关技术还处在基础研究阶段。通用量子计算机目前还没有问世,量子密码、量子传感、量子通讯技术也都还不够成熟。

相对成熟的、最有可能率先投入应用的是量子密码。它目前处于试用阶段。出于成本等原因,技术成熟后预计首先会用于国防领域,再慢慢向更大范围拓展,形成产业。至于通用量子计算机什么时候诞生、人类什么时候进入量子时代,这个时间现在还不能确定。

这里要特别提醒的是,网上一些所谓的量子科技产品——量子按摩仪、量子水等等,都是假的。现在还没有一个量子科技产品,是能让广大群众去购买的。

C

谈痛点

相干时间操控能力是瓶颈

●要尽量延长保持量子特性的时间、要能精准操控量子态,这些都很难在短时间内解决。目前还没到应用研究阶段,更多研究工作可能还是要高校院所来承担

记者:谷歌团队此前发布的,还不算是通用量子计算机?

郭光灿:不算。这里面牵涉到一个概念——相干时间。

量子计算机等各种应用,都是借助了量子特性。但量子特性非常脆弱,很快就消失了。所以我们就要尽量延长保持量子特性的时间,也就是相干时间。像量子计算机,科学家花了13年把量子相干时间提高了5万倍,达到100个微秒,这是很大的进步。在量子世界里,100微秒已经算很长了。谷歌团队提到的计算,就是在这点时间内完成的。但利用100个微秒就能处理完的问题,毕竟还是有限。

通用量子计算机,就是让相干时间能保持足够长,让需要计算的问题都有足够时间来完成。这涉及容错纠错技术,而这项技术人类现在还做不到。量子时代要到来,如何让相干时间保持足够长是一大瓶颈。

记者:除了相干时间,还有什么瓶颈?

郭光灿:另一个瓶颈是对量子世界的操控能力。人类在经典世界已经有很强的操控能力,通过控制速度等物理量,我们能把火箭送上太空。但在量子世界,操控的就不是物理量,而是量子态——让量子处于我们需要的状态。

2012年两位科学家获诺贝尔物理学奖,就因为他们使人类第一次真正操控了1个量子比特。现在这个数字已经变成几十个了,像谷歌团队发布的量子处理器就操控了54个量子比特。但真正要达到通用量子计算机水平,需要操控百万量级的量子比特。而且不仅要能操控,还要精准,不能有大的误差。

两大瓶颈,不管哪个都很难在短时间内解决。这是需要人类共同解决的难题,我们会一步步去逼近最终的答案。

记者:由谁来解决问题?目前到了企业大规模进场的时候吗?

郭光灿:目前还没有到应用研究阶段,更多研究工作可能还是要高校院所来承担,或者是高校院所和企业一起合作。东部和中部也有一些企业在探索,比如本源量子公司不久前上线了国内首个超导量子计算云平台,向全球用户免费提供量子计算服务。

D

谈发展

四川可提前布局应用领域

●不是说靠砸钱、靠人海战术就能搞好量子科技,各地要充分考虑自身条件。四川完全有可能在量子科技研究方面实现快速发展,同时可提前介入软件、操控系统等应用领域布局

记者:中国量子科技研究目前处在一个什么水平?四川呢?

郭光灿:目前我国在量子领域的整体研究水平比较先进,和美国、欧盟、日本等差距不大。在量子纠缠,尤其是在保真度、纠缠粒子数、纠缠度等方面处于国际领先水平;量子密码相关研究整体上和欧美保持同一水平;量子计算机领域可能落后5年左右。总的来说中国处在国际第一梯队,综合水平是一流的。

具体到四川,在量子科技研究领域相对弱一些,因为从事相关研究的科学家不算多。但我知道宝马娱乐在线城手机版有年轻科学家团队在开展相关研究,西南交大也有科学家在做。如果给予更大支持,我认为四川完全有可能在量子科技研究方面实现快速发展。

记者:如果要在研发和应用上实现追赶甚至弯道超车,四川可以从哪儿切入?

郭光灿:推动量子科技发展,中央会有一系列决策部署。至于地方该做什么不该做什么,很难给出一个标准答案。我个人不主张各地盲目“一窝蜂”发展量子科技,这只会导致重复和浪费。不是说靠砸钱、靠人海战术就能搞好量子科技,没有基础肯定是不行的。

我认为各地要充分考虑自身特点和条件,实事求是找出可行方向,然后组织最精锐的队伍去攻坚。

具体到四川。我经常到四川来,上次(今年9月两院院士四川行)来我就提到,四川电子信息产业和技术都有很好基。耆梢蕴崆敖槿氲搅孔涌萍枷喙赜τ昧煊虿季种欣。

像量子计算机领域,将来一定会有三大块市。阂皇腔,二是软件,三是操控系统。做机器这方面难度比较大,其他地方已经做了比较长时间,有了技术积淀,要迅速赶上是很难的。但软件和操控系统,都是产业链中极其重要的环节,四川也有软件基。饩屯耆梢宰,并且还很有希望能做成。

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