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中科院院士郭光灿:“要把中国量子计算机卖到国外”

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量子位 2021-10-20 12:48

边策 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

在中科大校园里,有这样一位院士,他留校任教56年,年近耄耋却仍站在科研一线,还自嘲做了几十年的“少数派”。

今年6月,他所带领的量子计算团队打造出“量子U盘”,将光信息存储在特殊晶体中1个小时,被新华社、人民日报等各大媒体转载,登上热搜。

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他的学生创办了中国第一家量子计算公司,已经推出了数款量子计算机芯片。

他就是是中国量子光学和量子信息领域的先行者、中科院院士、中科大教授郭光灿

“锁住”光的物理学家

4个月前“量子U盘”这项研究成果在网上引起了巨大的轰动,也引发了大众对于量子光学的好奇心:

如何将速度每秒30万公里的光线存储在固体里?这项技术又对量子计算有哪些帮助?

带着这些疑问,量子位与郭光灿院士进行了一次对话。

其实,量子U盘的原理是用固体原子与光子的作用,当原子被激发后,光的状态就被存储起来。最后经过一系列操作再将激发原子转化为光信号。

从1分钟到1小时,时间的延长让许多过去难以想象的物理实验变得可能。

郭光灿向量子位解释道:

当存储时间达到小时级后,就可以将两个相距几百公里天文台拍摄的信息存起来,再用飞机高铁将量子U盘运到一处,通过对比能把望远镜分辨率提高上万倍。

在量子计算领域,其用途更是颠覆性的。

如果把“量子U盘”用于量子计算机,那么我们破解现在最高加密级别RSA-2048所需的量子比特数可能会降到几万。

上世纪80年代,量子计算机被首次被提出。物理学家费曼认为量子计算机具有一些经典计算机无法比拟的优势。

之后,就是著名的Shor算法出现,这是一种利用量子计算机破解非对称加密的算法,可以让现在的RSA公钥体系失效。

简而言之,量子U盘的出现,会让破解加密的量子计算机更容易制造出来。

量子U盘登上Nature子刊

近年来,国内量子计算、量子通信研究如火如荼,量子通信卫星“发射升空”,量子技术可谓妇孺皆知。

但是在二十年前却是不大被人们理解的“少数派”,这也是郭光灿对自己过去二十多年研究的总结。

用二手仪器做量子实验

如今“量子U盘”几百万的视频播放量,背后却是“少数派”二十多年的艰难与孤寂。因为在二三十年前,即使是业内人士也意识不到量子计算的重要性。

1984年,郭光灿靠着2000元的经费办起了中国第一次量子光学会议,90年代末就开始研究量子信息,并将国外的量子信息教材引入国内。

但理论上的东西变成现实,总要跨越工程技术上巨大的鸿沟。

就像人工可控核聚变一样,量子计算机何时能做成,未来会以何种形式实现与应用,所有人心里都没底。仅当下就有超导电路、离子阱、半导体自旋体系等不同方案。

和谷歌、IBM不同,国内的量子计算技术以高校和科研机构为主导,经费不足成为郭光灿面临的首要问题。

郭光灿仍记得,在十几年前,他从学校借来了一笔800万的科研经费,对于量子计算来说是杯水车薪。

800万是做不成的,起码得一个亿,幸好当时有金融危机,美国很多学校把他不用的仪器修修,然后就拿出来卖二手货,所以我6台仪器5台是二手货买来以后勉强就勉强可以用,我可以自己做芯片,可以自己做实验。

就在那样艰苦条件下,团队坚持了五六年。

然后科技部要搞一个超级973,我马上提了量子计算机、量子芯片。所以我们就拿到了1.3亿的钱,这个是最大的。

经费上的困难解决了,在工程上量子计算机还面临两大困难。

一是如何避免消相干,二是如何精准操控量子世界。

“消相干严重的话,量子计算机它就自动演化,量子性就消失掉了,它的并行运算能力就没了。“

“为了补偿消相干,代价是浪费资源。可能你得用100个1000个的物理比特编码1个逻辑比特。“

而量子U盘就是一种避免光子消相干的技术。

人类还不知道如何操控微观世界。在经典世界,人类的操控能力很强,可以发射机器人到火星上采集样品,进行分析,并把分析结果的信号传回地球。但是人类对微观世界的操控能力远未达到这样的水平,这是极大的挑战。

郭光灿极力在用通俗的语言向我们解释这些高深的技术问题。

过去而他也是在教材中向学生向这样通俗解释一个个物理概念,他编写的《光学》教材影响了一大批中国物理人。

而如今量子计算和量子信息已经成为国家重要科技战略,郭光灿先后担任国家科技部973项目“量子通信与量子信息技术”首席科学家,中国科学院重要方向项目首席科学家,国家基金委创新群体学术带头人,国家科技部中长期规划“量子调控”重大项目“量子通信与量子计算的物理实现”首席科学家。

今年除了“量子U盘”外,郭光灿团队的另一篇量子计算研究成果也登上了Nature:他们利用固态量子存储器和外置纠缠光源,首次实现两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠。

更爱用“量子霸权”一词

近年来,随着国内外量子计算技术上的重大突破,量子计算已经不再是“少数派”。

郭光灿认为,国外的量子计算商业化之路已经如火如荼,科技巨头的大量投入,让我们在短短5年内见证了量子计算的3大重要里程碑:

1、2016年初,IBM 5量子比特的量子计算机云平台上线;

2、2019年初,IBM第一台20比特商用量子计算机;

△ IBM开发的商用量子计算机

3、2019年末,Google用53比特量子计算机实现“量子霸权”,用3分钟时间算完了经典超级计算机10万年才能算出的问题。

相比“量子优越性”,郭光灿更喜欢用“量子霸权”这一翻译。因为这不仅意味着在某些算法上量子计算机对经典计算机的制霸,也体现各个国家在量子计算上的激烈竞争。

在技术上,中国正在快速赶超,努力摆脱技术上受制于人的局面,终于也在去年实现了“量子霸权”。

今年,中科院开发出为量子计算机提供超低温环境的“稀释制冷机”,而过去这种核心机器只能依赖进口。

由于量子计算是各大国必争的科技高峰,核心技术一直对他国封锁,“稀释制冷机”的出现标志着量子计算“卡脖子”现状正在逐步改善。

你卡我的时候,我可能慢一点,等我们补好了就更快了。我认为没有什么比量子计算这种技术更难更不可克服,都可以解决。

解决“卡脖子”只是第一步,郭光灿还有更大的雄心。

“把中国量子计算机卖到国外去”

郭光灿认为,中国与世界顶尖的量子计算技术只有3年的差距。和某些行业相比,量子计算技术的代差算是很小了。

但令郭光灿忧虑的,不是技术上的差距,而是量子计算的应用生态:

3年不算长,但是如果人家生态很好,他们指数上升,我们线性上升,距离就拉开了,我们就跟不上了。

但国内目前的现状是:

1、从事硬件研发和生产的公司并不多;

2、量子计算的生态还没有形成,差距会越拉越大。

虽然百度、阿里、华为等先后推出了量子计算平台,但大多数是软件模拟,仅能模拟规模较小的量子计算机,郭光灿认为,最终研究还是要回归到硬件上来。

而国内目前成功商业化的量子计算机硬件公司也仅有量子本源一家。

在量子硬件研发方面,郭光灿认为,谷歌的经验值得借鉴。

当年谷歌不惜重金挖来加州大学圣巴巴拉分校的知名学者John Martinis,极大加速了谷歌的研发进度。

而这方面,国内企业做得还不够。

国外像IBM、Google这样的科技巨头牵头来做,已经形成了量子化学、药物研发等实际应用,只有让其他企业都用起来,才能促进量子计算生态的发展,

“把中国的量子计算机卖到国外去”,这是郭光灿的愿景,他认为解决了国产机器的软件生态问题,有了自己的量子操作系统,这一天不会太远。

80岁坚持写量子计算科普

最令郭光灿忧心的是,国内优秀的量子计算人才外流,产业界又缺乏人才流入。

郭光灿说,他的团队很多学生在量子计算上展现出优秀的天赋,但是到国外留学后不得不放弃量子计算专业,令他感到惋惜。

在人才体系建设上,我们可以输血,但更重要的是提升自己的造血能力。

引进人才固然能“走捷径”,但培养人才的兴趣是关键,所以郭光灿要让学生爱上量子计算事业。

不仅对团队内的博士生竭尽所能支持,还要让更多“门外汉”加入进来。

虽然已年近耄耋,但郭光灿坚持笔耕不辍,还在编写一本量子力学科普读物《颠覆:迎接第二次量子革命》。该书已经付梓印刷,预计年底前将正式出版。

郭光灿不仅因为他在科研上取得的众多瞩目成就,还因为他一直坚持物理学基础教育,不少高校都在使用郭院士编写的物理学教材。

但是面对量子计算与量子信息科普书籍的匮乏,80岁的郭光灿决定再次拿起科普育人的笔。

无疑,计算机和人工智能是现在学生选择的热门。

郭光灿希望这本科普读物能让学计算机的人也爱上量子计算,因为这个行业太需要两方面都懂的交叉人才了。

所以在月底即将举办的2021中国计算机大会(CNCC)上,郭光灿决定做一场名为《量子计算机发展状况》的报告。

他也是今年CNCC特邀的两位中科院院士之一,也是唯一参会的物理学家。

谈到计算机和人工智能,郭光灿笑着说:“你们熟悉的张钹院士,他是我的福建老乡。”

对于国内的物理系学生来说,郭光灿知名不仅因为他在科研上取得的众多瞩目成就,还因为他一直坚持物理学基础教育。

现在随着量子计算的大热,他希望能“借着东风”将量子计算介绍给每个人。新书是一次尝试,参加计算机学术会议也是。

不知在今年的CNCC上,物理和计算机会碰出怎样的火花。

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