http://www.scol.com.cn(2020-11-9 8:51:52) 四川在线 编辑：盛飞
| ——对话中科院院士、国内量子研究开拓者郭光灿
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。 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。但我知道电子科大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础，完全可以提前介入到量子科技相关应用领域布局中来。 像量子计算机领域，将来一定会有三大块市场：一是机器，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，四川也有软件基础，这就完全可以做，并且还很有希望能做成。 聚焦四川量子科技研发与应用现状—— 企均专利数为啥只有安徽的十六分之一？ 量子科技在四川发展状况如何？省级有关部门负责人透露，目前我省并没有相关公开报告。为此，记者采访了省内多家高校院所相关研究人员，力图勾勒出目前四川量子科技研发与应用的整体图景。 研发现状：和国内“第一梯队”存在明显差距 综合对7位量子科技研究人员采访，目前省内至少有四川大学、电子科技大学、西南交通大学3所高校以及中国网安和西南技术物理研究所2家科研院所在开展量子科技相关研发工作。 所有受访者都提到，在量子科技研发方面，四川和国内第一梯队存在明显差距。“和东部高校比，我们只能算‘游击队’，人家才是积累多年、装备优良、系统全面的‘正规军’。”一位专家表示。 以研发人员数量为例，电子科大基础与前沿研究院是省内量子科技研究人员最为集中的机构。院长王志明介绍，全部科研人员约有上百人。而其他高校院所的采访对象透露，相关研发团队人数多在几人至十几人之间。多位专家进一步提到，中科大等省外高校院所在该领域已耕耘近二十年，设备和方法世界领先。四川起步相对较晚，大部分团队正式成立不足10年，投入也相对有限。 所有受访人员均谈到，四川要想在量子科技上面全面追赶，难度很大。电子科大基础与前沿研究院教授王晓霆谈到，量子实验设备投入动辄以“亿元”为单位，要想全面追赶还有巨大资金缺口。这还不仅是“砸钱”的问题，“就算现在买来设备，短期内也没有人会用，因为这方面人才培育也是断档的。” 要想弯道超车，四川需找准“细分赛道”。多位受访者谈到，四川可以从“轻投入”领域——量子软件和算法等方面谋求突破。一方面这类研究不太依赖昂贵而复杂的设备仪器；另一方面成都在软件等相关方面有人才积聚。“成都是天府之国，气候、人文环境都很舒适。这种氛围其实是很多科研人员喜欢和向往的。”电子科大基础与前沿研究院教授王子竹说。此外，四川也有相应研究基础。综合受访者介绍，四川大学、电子科大等高校在量子信息、量子算法模拟、量子人工智能等领域都有所突破。多位研究人员还参与了科技部相关重点研发项目。 目前，广东、北京、陕西等地都设立有量子领域省级实验室，而四川尚无一个。多位受访者建议，可积极申请设立更多量子科技研发平台，如省部级重点实验室等，以此聚集量子科技相关科研人才。 应用现状：部分川企取得切实进展 具体到量子科技应用，四川情况又是怎样？四川日报全媒评论理论部联合MORE大数据工作室，以“量子”为关键词，在天眼查平台上搜索全国企业经营范围时发现，截至11月4日，全国共有4871家企业涉及量子领域，其中四川有78家企业。 记者注意到企业信息中一些细节：上述企业中有案可查的行政处罚记录达7次，每家企业平均拥有专利数0.37个。作为对照，安徽省相关量子科技企业的这个数字是6.23个，四川的数字只有安徽的约十六分之一。 多位受访者认为，这些数字折射出当前量子科技应用“乱象”，以及我省量子科技应用发展仍处在相对较低水平。他们谈到，量子鞋垫、量子速读、量子芯片、量子洗衣粉……这些和老百姓生活密切相关的产品，目前基本都是伪科学。对此受访者建议，政府应加强行业规范和监管，同时加大对量子科技的科普力度，避免老百姓上当。 推动量子科技应用，也有取得切实进展的川企。由高校老师创业开办的四川元匠科技有限公司，就运用量子模拟等技术助力医疗图像诊断，运用量子算法在金融投资等领域进行金融大数据计算。董事长李晓瑜介绍，目前公司已和建设银行等多家公司达成合作。此外，据中国网安研究员徐兵杰介绍，目前该公司已经运用量子随机数发生器技术制作出了领先全国的安全量子芯片，并与安徽问天量子科技、科大国盾量子技术股份有限公司等企业开展技术合作，共同为国防等领域提供量子设备。 |