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【CCTV2】量子技術將如何徹底重構經濟生活?中國科大郭光燦院士深度解讀

發布時間:2019.06.30

  【人物名片】
  郭光燦,中科院院士,中國科學技術大學教授,中科院量子信息重點實驗室主任,長期從事光學和物理學的教學和科研工作,是中國量子光學和量子信息的開創者和奠基人,創建了我國第一個量子信息實驗室。同時,郭光燦也是高新集團投資企業本源量子的首席科學顧問。
  【采訪實錄】
  6月27日,中科院院士、中國科學技術大學教授郭光燦做客CCTV-2央視財經頻道《中國經濟大講堂》,深度解讀《量子技術將如何徹底重構經濟生活?》。
  量子究竟是什么?它有哪些令人匪夷所思的特性?
  它和我們所說的經典世界有什么不同?為什么來了個量子?肯定不同,因為它們遵從的物理定律不同,一個遵從牛頓力學、電動力學這經典物理的,叫做經典世界,這是大家很熟悉的一個世界,而我們所熟知的經典世界,所有這些量都是確定的。所以我們生長在一個確定的世界里,而量子世界是一個不確定的概率性的世界。
  你看這兩個世界有多大差別。比如說這個空間里有一個粒子,那么經典世界說這個時間這個粒子在空間哪一個位置,它是完全確定的,如果它不確定的話,那我的導彈打飛機我怎么打,所以它的軌跡一定是確定的,到哪兒我就打哪兒,對不對?但是量子就不一樣了,量子是不確定的。這個世界里面、這個空間有一個量子,這個量子可能是光子,可能是電子,可能是夸克,那么問這個粒子在空間哪一個位置,量子力學告訴你它是不確定的,概率的空間上哪一點都可以找得到它,一旦找到了就是一個,這個叫概率性,所以它是概率分布的,這就是很大的不同。
  還有更不同、更奇怪的,如果一個粒子從空間的一點到另一點有幾條路,那么,比如說我從合肥到北京,我可以坐高鐵,我可以坐飛機,就是有兩條路。一旦到了北京以后,你問我從哪里來,我說我買的高鐵票,我肯定坐高鐵不坐飛機,那我就走了一條路。這經典物理是確定的,我的軌跡、運動軌跡是確定的。要是量子的話,我是個量子,我從合肥到北京有兩條路,有高鐵,有飛機。我一旦過來了,你問我怎么來的?假設我是量子,我說,我既坐高鐵又坐飛機,我兩條同時來,為什么?它是概率的,它是不確定的,這是它的特點。這個你就很奇怪對不對?但是自然界就是這么存在這種性質的粒子,它就按這種規律行事。所以我們不能不承認,你要去理解它。
  就像這個滑雪的漫畫,滑雪會留下痕跡,你看左邊那個人,他滑雪的痕跡到了大樹底下,兩邊都有痕跡。所以右邊這個人回頭一看,他就想不清楚了,說這家伙他怎么過去的,兩邊都滑過去了。因為它是量子的,量子不走一邊,量子是兩邊一塊兒走,它是不確定的。經典的這個人(圖右側)他想不通,因為他只能走一邊不能走兩邊。
  經典世界一定是確定的,量子世界就不確定的。所以,量子會給我們很多新奇的體會,那么這些量子世界和經典世界所不同的所有的性質,我們統統叫它量子性,比如說不確定性、概率性,還有量子糾纏、量子不可克隆等等,所有這些都叫量子性。
  潛心研究20載,我國量子信息技術進入第一梯隊
  量子計算機被認為是當今最有前景的前沿技術之一,因為量子計算機可以比傳統計算機處理更多的數據,并有望改變整個世界。
  中國做量子信息的時間很長,90年代量子信息剛剛在國際上萌生的時候,我們就開始做了。我們做的時間很悠久,當時在世界都沒看好的情況下,我們就開始坐了20年的冷板凳。我們現在整個量子信息的技術水平在國際上算第一梯隊,第一梯隊就是跟最發達國家差不多,美國 、歐盟、日本這算第一梯隊,還有我們。
  具體的項目,量子保密通信我們絕對不比他們差,因為那些技術都是我們自己研發的專利,自己做出來的。美國不公開他們怎么做的,就美國一個國家不公開量子保密通信怎么做,這就好像沒做一樣,但實際上他們在做,他不告訴你。所以我們靠自己,已經做的性能不比他們差。所以我敢說,在這個領域里我們應該是一流的,不說領先也算一流。要說領先的話,我們一定要知道美國做到什么水平,但現在不知道它的水平怎么樣,我們就不能自夸說我們領先了,但起碼我們能做到一流。
  量子計算他們這幾年抓得很多,但我們相對落后,應該落后五年以上。第一,我們的布局不夠,我們國家投入到量子計算的錢還不夠。第二,現在我們很多關鍵的器件,發達國家不給我們,這就需要我們自己做,但自己做所需要的材料或者加工,它們就要卡我們了,材料不給,又不給我們加工,這個就更難。然后我們把材料好不容易自己做出來,加工又不行了。那么我們速度會變慢,不會像想象的那么快,我們把那些叫“卡脖子”的技術。即便我們的整體性能已經超越你了,我們已經很好了,但基礎的元器件材料我們是落后的,那不行。
  那么我們現在就從頭做,所以我們必須花一段時間把我們的底子補好了,我們補好了熬過這個難關,我就可以比你強。因為我們人不比他們的差,我們現在資金、人員的素質都不會比他們差。因為這個通用量子計算機還早著呢,誰最后把通用量子計算機做出來那才是笑到最后,現在我比你晚一點、晚幾步,但是一旦我度過這個計算難關,我自己自力更生做設計,那我后面可能會超過你,所以我們還是很有希望的。
市場上現有的量子產品都是假的
  市場已經有好多量子產品了,量子水、量子按摩、量子鞋墊、量子醫學等等,所有這些全部是假的,完全是商業炒作,大家不要上當。
  量子本身就很神奇、很奧妙。因為我們熟悉的是經典世界,我們熟悉的是經典物理,所以我們對量子奇奇怪怪的性質不好理解,這是容易產生誤區的一個原因;第二個原因是人為的,就是我們宣傳誤導了。
  舉兩個例子:第一個誤區,量子糾纏可以實現超光速的通信。量子糾纏是怎么回事呢?我們有兩個例子A和B,A自旋要么向上,要么向下,只有兩種可能,那它自旋到底是向上、向下?不一定,不確定。所以它就有50%的概率向上,50%的概率向下。量子世界就是不確定的,我要造一個A和B共同的系統,這個系統非常特殊,特殊在哪兒?不管A和B的自旋在哪兒,它們兩個自旋總是相反,這是它們共同的性質。A已經說是向下了,B肯定向上,對不對?如果A不測量,那么B有一半概率向上,有一半概率向下。先測量A,B發生變化,說好像應該有個什么東西過去才會變,那我們現在不做這樣的實驗,我同時測量A和B,同時測量沒有先后了,沒有因果了,我不需要什么傳過去了,我不需要任何信息傳過去。同時不傳什么,發現的結果一樣,A只要向下,B一定向上,A要向上,B一定向下,它們總是相反,糾纏就是這個性質。這說明什么?說明它們兩個是完全關聯的,是一種量子關聯。所以糾纏幽靈它的本質,就是量子關聯,量子關聯所發生的瞬時變化,根本就沒有信息的傳遞,沒有信息的傳遞就談不到超光速的信息。
  量子關聯是量子力學非常基本的性質,所以現在提供很有用的工具,叫EPR效應,是量子力學基本一個效應。什么叫EPR的效應?比如說一個母親在北京,她女兒在深圳,她女兒在深圳結婚,生孩子,孩子生出來那一瞬間這個在北京的母親就自動變成外婆,這就是EPR的效應。盡管她女兒沒有告訴她,她媽媽也不知道她女兒生孩子,但是,這件事情一定是同時發生的。她女兒都變成母親了,她母親在身份上肯定要往上升一級,變成外婆,這就是關聯。什么關聯?母女身份的關聯。不管兩個分得多開,一定關聯,她生孩子瞬間一定馬上變化,身份變化了,跟這個糾纏一樣。糾纏是兩個粒子是總是相反的,我在哪兒測量,它一定變。所以科學的對糾纏的理解,就是沒有任何信息的傳遞,沒有任何超光速的,也不可能拿這種糾纏開發到我們世界里做超光速通信,這是絕對做不到的。
  第二個誤區,是量子技術可以將人瞬時地送到另外一個星球,有人說我們到紐約去,以后不用買飛機票,噔一下子就過去了,這多方便,到底能不能做到?絕對做不到。他們有什么根據說這句話呢?根據一個實驗叫做量子隱形傳態。什么叫做隱形傳態?一個電子,它攜帶一個量子信息,要把量子信息傳到遠方,同時信息的載體不傳過去,這是很難的,經典世界里我說話的信息傳到你那兒,它的載體就是聲波,電臺放到你家里,圖像就是信息,它的載體是無線電波,所以信息傳遞都要載體。隱形傳態提出,不把載體送走就把信息傳過去,一般都做不到。但有個物理科學家說做得到,把經典跟量子一塊兒來用就可以做,所以確實能夠把一個電子的信息傳到遠方去,放到另外一個電子身上和另一個原子身上都可以,但這個里面需要兩個條件,一個是糾纏、一個是經典通信。有經典通信就不會超光速,所以隱形傳態,你把一個態傳到那兒去,絕對不可能超光速,這個實驗沒有理解清楚,所以他認為,人好像就可以過去了,沒有。所以這個絕對不可能是技術上不完整,而是原理上根本做不到,所以這兩個誤區在外面影響非常大,把量子力學、量子信息搞得更神奇、不可理解。
  當然還有些比較簡單的,市場已經有好多量子產品了,你可以到處聽到廣告,量子水、量子按摩、量子鞋墊、量子醫學什么等等都有,所有這些全部是假的。量子按摩是不是量子的?得看它是不是用量子力學的原理按摩,它根本用不著,怎么能叫量子呢?是不是量子,就看它有沒有需要用量子力學的規律來做運行,如果根本沾不上邊那全部都是假的。所以這些完全是商業炒作,大家不要上當。撒貝寧在《開講啦》說,凡是用錢能夠買到的量子產品全是假的,我認為他講得很對。現在沒有一個量子產品能夠到廣大群眾、到千家萬戶那里去讓大家用,還沒有到這個時候。這種宣傳不實,把量子科學變成玄學了。凡是世界上搞不清的內容全都歸到量子糾纏去,好像那樣子才能解所有的問題,不是的。量子糾纏是量子世界獨有的現象,超過了量子世界,量子糾纏就沒有這個概念。所以把人體的一些活動,什么生理的活動什么都歸到量子糾纏,這是不對的。
  全球量子技術大角逐,誰將領跑
  只有通用量子計算機得到實際應用,到那個時候,我們就可以宣稱量子時代到了。
  美國人在2010年提出,要在五年之內,搞幾十個量子比特的量子計算機來供科學家做科研用。然后美國所有的軍工實驗室、高校實驗室和各大公司都投入到量子計算機的研制當中,尤其是公司,他們的投入非常大,因為他們的目標就是占領未來的市場。現在聞到這個市場快來了,不是遙遠的未來,大家都想搶這塊蛋糕。幾乎所有大公司都投入了,這個投入對促進量子計算機的發展是很有用的,因為他們有資源,研制量子計算機的速度就可以加快。歐盟也不落后,它花了10億歐元,搞了一個量子宣言。從去年就開始啟動,它把所有的量子技術都作為它的發展對象,其中,他們打算15年以后,做一個實際可用的通用量子計算機。澳大利亞,整個國家也做量子計算機,它不做超導做硅基,做硅基的量子計算機。
  整個來說,量子計算機處在一個從晶體管向集成電路過渡的那個階段,電子計算機就經歷過這個階段,現在量子計算機也走到差不多這個階段了。最近這幾年,就是研制量子計算機最關鍵的年份,所以我們會不斷聽到國際上、國內外在這方面的一些進展。
  那么究竟量子時代什么時候能到來?我們碰到兩個困難。第一個困難,量子器件是我們宏觀的世界的人要用的,所以是宏觀器件,宏觀器件又是做量子的,所以實際上是個人造的量子系統,人造的量子系統它的相干時間就非常短,所以我們要在宏觀世界上保持它的量子性不消失掉,一消失掉了它的功能就喪失掉了,又回到經典的時代了。所以我們如何確保它的量子性不消失掉,這是個困難,這個困難是很大,這個困難阻礙著我們很快發展。
  另外一個困難,就是人類要操控量子計算機,比如說我們人類掌握的經典器件,我用經典器件去操縱一個量子比特,讓它按照我需要的方式運行,到哪兒去控制它?這就是對于量子世界的調控,這個技術人類還沒有掌握到非常成熟。我們可以命令火星上一個探測器把礦拿出來,挖礦出來做光譜分析,把分析的數據發到地球,為它們進行精確的控制,這叫經典操控。人類的經典操控技術已經達到非常高,可我們對量子世界還剛開始操控,我們技術還很落后。2012年兩個物理學家得到了那一年的諾貝爾物理學獎,獎勵他們什么?他們操控了單個粒子、單個原子和單個光子,就操控了一個,他就得了諾貝爾獎,因為他有很重要的進步,而我們現在面臨的是量子計算機成千上萬的量子處理器,我們要控制它那難度很大,所以人類還得有一段時間來學習怎么控制微觀世界。所以量子技術雖然是量子力學預言的產物,它原理上肯定正確,但是真正要研制成實用的量子上有一個很艱難的過程,不是一朝一夕所能做得到的,這就是現狀。
  那么什么時候做到呢?一個時代到來一定有個標志性的東西,對吧?這個標志性是什么呢?就是通用量子計算機得到實際應用,到達那個時候我們就可以宣稱量子時代到了。
  通用量子計算機什么時候做到呢?需要三步走。第一步就做一個量子力學操縱的處理器,這是第一步,IBM做到了。他們今年就發布一個器件,這個是完全按量子力學運行的一個用處不是很大的一個量子處理器,第一步做到了。第二步就要把量子比特數增加到多少呢?,現在是20個,增加到100個左右。然后到了100個以后呢,量子計算機的運算能力就會遠遠超過現在電子計算機任何超算中心的能力,這叫量子霸權。它叫霸權,這個名字不太準確,但是有點霸氣,就是天下我最高,我的速度最快,沒有人能比過我,但是它仍然不是通用的量子計算機。第三步是最終的,要把比特數繼續增加,增加到了100個,要做到多少呢?大概一千個、一萬個那樣的數,比特數要大大增加,然后還要采取容錯、糾錯的辦法,把相干時間拉得足夠長。任何復雜問題在這臺量子計算機都能夠運行,都不會死掉,到那個時候才是真正的通用量子計算機。而且不僅僅要在實驗室做成,還要把它做成儀器,讓大家用,就是能夠廣泛使用。
  我認為通用量子計算機能實際應用的時候,我們可以宣稱我們已進入到量子技術的時代。但時間還不確定,這可能要十五年、二十年……(2019年6月27日《中國經濟大講堂》播出)

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