量子信息先行者中科院院士郭光燦：“要把中國量子計(jì)算機(jī)賣到國外”

邊策 發(fā)自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

在中科大校園里，有這樣一位院士，他留校任教56年，年近耄耋卻仍站在科研一線，還自嘲做了幾十年的“少數(shù)派”。

今年6月，他所帶領(lǐng)的量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)打造出“量子U盤”，將光信息存儲在特殊晶體中1個小時，被新華社、人民日報等各大媒體轉(zhuǎn)載，登上熱搜。

他的學(xué)生創(chuàng)辦了中國第一家量子計(jì)算公司，已經(jīng)推出了數(shù)款量子計(jì)算機(jī)芯片。

他就是是中國量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域的先行者、中科院院士、中科大教授郭光燦。

“鎖住”光的物理學(xué)家

4個月前“量子U盤”這項(xiàng)研究成果在網(wǎng)上引起了巨大的轟動，也引發(fā)了大眾對于量子光學(xué)的好奇心：

如何將速度每秒30萬公里的光線存儲在固體里？這項(xiàng)技術(shù)技術(shù)又對量子計(jì)算有哪些幫助？

帶著這些疑問，量子位與郭光燦院士進(jìn)行了一次對話。

其實(shí)，量子U盤的原理是用固體原子與光子的作用，當(dāng)原子被激發(fā)后，光的狀態(tài)就被存儲起來。最后經(jīng)過一系列操作再將激發(fā)原子轉(zhuǎn)化為光信號。

從1分鐘到1小時，時間的延長讓許多過去難以想象的物理實(shí)驗(yàn)變得可能。

郭光燦向量子位解釋道：

當(dāng)存儲時間達(dá)到小時級后，就可以將兩個相距幾百公里天文臺拍攝的信息存起來，再用飛機(jī)高鐵將量子U盤運(yùn)到一處，通過對比能把望遠(yuǎn)鏡分辨率提高上萬倍。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，其用途更是顛覆性的。

如果把“量子U盤”用于量子計(jì)算機(jī)，那么我們破解現(xiàn)在最高加密級別RSA-2048所需的量子比特?cái)?shù)可能會降到幾萬。

上世紀(jì)80年代，量子計(jì)算機(jī)被首次被提出。物理學(xué)家費(fèi)曼認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)具有一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法比擬的優(yōu)勢。

之后，就是著名的Shor算法出現(xiàn)，這是一種利用量子計(jì)算機(jī)破解非對稱加密的算法，可以讓現(xiàn)在的RSA公鑰體系失效。

簡而言之，量子U盤的出現(xiàn)，會讓破解加密的量子計(jì)算機(jī)更容易制造出來。

△ 量子U盤登上Nature子刊

近年來，國內(nèi)量子計(jì)算、量子通信研究研究如火如荼，量子通信衛(wèi)星“發(fā)射升空”，量子技術(shù)可謂婦孺皆知。

但是在二十年前卻是不大被人們理解的“少數(shù)派”，這也是郭光燦對自己過去二十多年研究的總結(jié)。

用二手儀器做量子實(shí)驗(yàn)

如今“量子U盤”幾百萬的視頻播放量，背后卻是“少數(shù)派”二十多年的艱難與孤寂。因?yàn)樵诙昵?，即使是業(yè)內(nèi)人士也意識不到量子計(jì)算的重要性。

1984年，郭光燦靠著2000元的經(jīng)費(fèi)辦起了中國第一次量子光學(xué)會議，90年代末就開始研究量子信息，并將國外的量子信息教材引入國內(nèi)。

但理論上的東西變成現(xiàn)實(shí)，總要跨越工程技術(shù)上巨大的鴻溝。

就像人工可控核聚變一樣，量子計(jì)算機(jī)何時能做成，未來會以何種形式實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，所有人心里都沒底。僅當(dāng)下就有超導(dǎo)電路、離子阱、半導(dǎo)體自旋體系等不同方案。

和谷歌、IBM不同，國內(nèi)的量子計(jì)算技術(shù)以高校和科研機(jī)構(gòu)為主導(dǎo)，經(jīng)費(fèi)不足成為郭光燦面臨的首要問題。

郭光燦仍記得，在十幾年前，他從學(xué)校借來了一筆800萬的科研經(jīng)費(fèi)，對于量子計(jì)算來說是杯水車薪。

800萬是做不成的，起碼得一個億，幸好當(dāng)時有金融危機(jī)，美國很多學(xué)校把他不用的儀器修修，然后就拿出來賣二手貨，所以我6臺儀器5臺是二手貨買來以后勉強(qiáng)就勉強(qiáng)可以用，我可以自己做芯片，可以自己做實(shí)驗(yàn)。

就在那樣艱苦條件下，團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持了五六年。

然后科技部要搞一個超級973，我馬上提了量子計(jì)算機(jī)、量子芯片。所以我們就拿到了1.3億的錢，這個是最大的。

經(jīng)費(fèi)上的困難解決了，在工程上量子計(jì)算機(jī)還面臨兩大困難。

一是如何避免消相干，二是如何精準(zhǔn)操控量子世界。

“消相干嚴(yán)重的話，量子計(jì)算機(jī)它就自動演化，量子性就消失掉了，它的并行運(yùn)算能力就沒了。“

“為了補(bǔ)償消相干，代價是浪費(fèi)資源?？赡苣愕糜?00個1000個的物理比特編碼1個邏輯比特?！?/p>

而量子U盤就是一種避免光子消相干的技術(shù)。

人類還不知道如何操控微觀世界。在經(jīng)典世界，人類的操控能力很強(qiáng)，可以發(fā)射機(jī)器人到火星上采集樣品，進(jìn)行分析，并把分析結(jié)果的信號傳回地球。但是人類對微觀世界的操控能力遠(yuǎn)未達(dá)到這樣的水平，這是極大的挑戰(zhàn)。

郭光燦極力在用通俗的語言向我們解釋這些高深的技術(shù)問題。

過去而他也是在教材中向?qū)W生向這樣通俗解釋一個個物理概念，他編寫的《光學(xué)》教材影響了一大批中國物理人。

而如今量子計(jì)算和量子信息已經(jīng)成為國家重要科技戰(zhàn)略，郭光燦先后擔(dān)任國家科技部973項(xiàng)目“量子通信與量子信息技術(shù)”首席科學(xué)家，中國科學(xué)院重要方向項(xiàng)目首席科學(xué)家，國家基金委創(chuàng)新群體學(xué)術(shù)帶頭人，國家科技部中長期規(guī)劃“量子調(diào)控”重大項(xiàng)目“量子通信與量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)”首席科學(xué)家。

今年除了“量子U盤”外，郭光燦團(tuán)隊(duì)的另一篇量子計(jì)算研究成果也登上了Nature：他們利用固態(tài)量子存儲器和外置糾纏光源，首次實(shí)現(xiàn)兩個吸收型量子存儲器之間的可預(yù)報量子糾纏。

更愛用“量子霸權(quán)”一詞

近年來，隨著國內(nèi)外量子計(jì)算技術(shù)上的重大突破，量子計(jì)算已經(jīng)不再是“少數(shù)派”。

郭光燦認(rèn)為，國外的量子計(jì)算商業(yè)化之路已經(jīng)如火如荼，科技巨頭的大量投入，讓我們在短短5年內(nèi)見證了量子計(jì)算的3大重要?dú)v程碑：

1、2016年初，IBM 5量子比特的量子計(jì)算機(jī)云平臺上線；

2、2019年初，IBM第一臺20比特商用量子計(jì)算機(jī)；

3、2019年末，Google用53比特量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”，用3分鐘時間算完了經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)10萬年才能算出的問題。

相比“量子優(yōu)越性”，郭光燦更喜歡用“量子霸權(quán)”這一翻譯。因?yàn)檫@不僅意味著在某些算法上量子計(jì)算機(jī)對經(jīng)典計(jì)算機(jī)的制霸，也體現(xiàn)各個國家在量子計(jì)算上的激烈競爭。

在技術(shù)上，中國正在快速趕超，努力擺脫技術(shù)上受制于人的局面，終于也在去年實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。

今年，中科院開發(fā)出為量子計(jì)算機(jī)提供超低溫環(huán)境的“稀釋制冷機(jī)”，而過去這種核心機(jī)器只能依賴進(jìn)口。

由于量子計(jì)算是各大國必爭的科技高峰，核心技術(shù)一直對他國封鎖，“稀釋制冷機(jī)”的出現(xiàn)標(biāo)志著量子計(jì)算“卡脖子”現(xiàn)狀正在逐步改善。

你卡我的時候，我可能慢一點(diǎn)，等我們補(bǔ)好了就更快了。我認(rèn)為沒有什么被量子計(jì)算這種技術(shù)更難更不可克服，都可以解決。

解決“卡脖子”只是第一步，郭光燦還有更大的雄心。

“把中國量子計(jì)算機(jī)賣到國外去”

郭光燦認(rèn)為，中國與世界頂尖的量子計(jì)算技術(shù)只有3年的差距。和某些行業(yè)相比，量子計(jì)算技術(shù)的代差算是很小了。

但令郭光燦憂慮的，不是技術(shù)上的差距，而是量子計(jì)算的應(yīng)用生態(tài)：

3年不算長，但是如果人家生態(tài)很好，他們指數(shù)上升，我們線性上升，距離就拉開了，我們就跟不上了。

但國內(nèi)目前的現(xiàn)狀是：

1、從事硬件研發(fā)和生產(chǎn)的公司并不多；

2、量子計(jì)算的生態(tài)還沒有形成，差距會越拉越大。

雖然百度、阿里、華為等先后推出了量子計(jì)算平臺，但大多數(shù)是軟件模擬，僅能模擬規(guī)模較小的量子計(jì)算機(jī)，郭光燦認(rèn)為，最終研究還是要回歸到硬件上來。

而國內(nèi)目前成功商業(yè)化的量子計(jì)算機(jī)硬件公司也僅有量子本源一家。

在量子硬件研發(fā)方面，郭光燦認(rèn)為，谷歌的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

當(dāng)年谷歌不惜重金挖來加州大學(xué)圣巴巴拉分校的知名學(xué)者John Martinis，極大加速了谷歌的研發(fā)進(jìn)度。

而這方面，國內(nèi)企業(yè)做得還不夠。

國外像IBM、Google這樣的科技巨頭牽頭來做，已經(jīng)形成了量子化學(xué)、藥物研發(fā)等實(shí)際應(yīng)用，只有讓其他企業(yè)都用起來，才能促進(jìn)量子計(jì)算生態(tài)的發(fā)展，

“把中國的量子計(jì)算機(jī)賣到國外去”，這是郭光燦的愿景，他認(rèn)為解決了國產(chǎn)機(jī)器的軟件生態(tài)問題，有了自己的量子操作系統(tǒng)，這一天不會太遠(yuǎn)。

80歲堅(jiān)持寫量子計(jì)算科普

最令郭光燦憂心的是，國內(nèi)優(yōu)秀的量子計(jì)算人才外流，產(chǎn)業(yè)界又缺乏人才流入。

郭光燦說，他的團(tuán)隊(duì)很多學(xué)生在量子計(jì)算上展現(xiàn)出優(yōu)秀的天賦，但是到國外留學(xué)后不得不放棄量子計(jì)算專業(yè)，令他感到惋惜。

在人才體系建設(shè)上，我們可以輸血，但更重要的是提升自己的造血能力。

引進(jìn)人才固然能“走捷徑”，但培養(yǎng)人才的興趣是關(guān)鍵，所以郭光燦要讓學(xué)生愛上量子計(jì)算事業(yè)。

不僅對團(tuán)隊(duì)內(nèi)的博士生竭盡所能支持，還要讓更多“門外漢”加入進(jìn)來。

雖然已年近耄耋，但郭光燦堅(jiān)持筆耕不輟，還在編寫一本量子力學(xué)科普讀物《顛覆：迎接第二次量子革命》。該書已經(jīng)付梓印刷，預(yù)計(jì)年底前將正式出版。

郭光燦不僅因?yàn)樗诳蒲猩先〉玫谋姸嗖毮砍删?，還因?yàn)樗恢眻?jiān)持物理學(xué)基礎(chǔ)教育，不少高校都在使用郭院士編寫的物理學(xué)教材。

但是面對量子計(jì)算與量子信息科普書籍的匱乏，80歲的郭光燦決定再次拿起科普育人的筆。

無疑，計(jì)算機(jī)和人工智能是現(xiàn)在學(xué)生選擇的熱門。

郭光燦希望這本科普讀物能讓學(xué)計(jì)算機(jī)的人也愛上量子計(jì)算，因?yàn)檫@個行業(yè)太需要兩方面都懂的交叉人才了。

所以在月底即將舉辦的2021中國計(jì)算機(jī)大會（CNCC）上，郭光燦決定做一場名為《量子計(jì)算機(jī)發(fā)展?fàn)顩r》的報告。

他也是今年CNCC特邀的兩位中科院院士之一，也是唯一參會的物理學(xué)家。

談到計(jì)算機(jī)和人工智能，郭光燦笑著說：“你們熟悉的張鈸院士，他是我的福建老鄉(xiāng)。”

對于國內(nèi)的物理系學(xué)生來說，郭光燦知名不僅因?yàn)樗诳蒲猩先〉玫谋姸嗖毮砍删?，還因?yàn)樗恢眻?jiān)持物理學(xué)基礎(chǔ)教育。

現(xiàn)在隨著量子計(jì)算的大熱，他希望能“借著東風(fēng)”將量子計(jì)算介紹給每個人。新書是一次嘗試，參加計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)會議也是。

不知在今年的CNCC上，物理和計(jì)算機(jī)會碰出怎樣的火花。