量子信息先行者中科院院士郭光燦：“要把中國量子計算機賣到國外”

邊策 發自 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“少數派”。

今年6月，他所帶領的量子計算團隊打造出“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載，登上熱搜。

他的學生創辦了中國第一家量子計算公司，已經推出了數款量子計算機芯片。

他就是是中國量子光學和量子信息領域的先行者、中科院院士、中科大教授郭光燦。

“鎖住”光的物理學家

4個月前“量子U盤”這項研究成果在網上引起了巨大的轟動，也引發了大眾對于量子光學的好奇心：

如何將速度每秒30萬公里的光線存儲在固體里？這項技術技術又對量子計算有哪些幫助？

帶著這些疑問，量子位與郭光燦院士進行了一次對話。

其實，量子U盤的原理是用固體原子與光子的作用，當原子被激發后，光的狀態就被存儲起來。最后經過一系列操作再將激發原子轉化為光信號。

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驗變得可能。

郭光燦向量子位解釋道：

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

在量子計算領域，其用途更是顛覆性的。

如果把“量子U盤”用于量子計算機，那么我們破解現在最高加密級別RSA-2048所需的量子比特數可能會降到幾萬。

上世紀80年代，量子計算機被首次被提出。物理學家費曼認為量子計算機具有一些經典計算機無法比擬的優勢。

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

簡而言之，量子U盤的出現，會讓破解加密的量子計算機更容易制造出來。

△ 量子U盤登上Nature子刊

近年來，國內量子計算、量子通信研究研究如火如荼，量子通信衛星“發射升空”，量子技術可謂婦孺皆知。

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

用二手儀器做量子實驗

如今“量子U盤”幾百萬的視頻播放量，背后卻是“少數派”二十多年的艱難與孤寂。因為在二三十年前，即使是業內人士也意識不到量子計算的重要性。

1984年，郭光燦靠著2000元的經費辦起了中國第一次量子光學會議，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。

但理論上的東西變成現實，總要跨越工程技術上巨大的鴻溝。

就像人工可控核聚變一樣，量子計算機何時能做成，未來會以何種形式實現與應用，所有人心里都沒底。僅當下就有超導電路、離子阱、半導體自旋體系等不同方案。

和谷歌、IBM不同，國內的量子計算技術以高校和科研機構為主導，經費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，他從學校借來了一筆800萬的科研經費，對于量子計算來說是杯水車薪。

800萬是做不成的，起碼得一個億，幸好當時有金融危機，美國很多學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就勉強可以用，我可以自己做芯片，可以自己做實驗。

就在那樣艱苦條件下，團隊堅持了五六年。

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

經費上的困難解決了，在工程上量子計算機還面臨兩大困難。

一是如何避免消相干，二是如何精準操控量子世界。

“消相干嚴重的話，量子計算機它就自動演化，量子性就消失掉了，它的并行運算能力就沒了。“

“為了補償消相干，代價是浪費資源。可能你得用100個1000個的物理比特編碼1個邏輯比特。“

而量子U盤就是一種避免光子消相干的技術。

人類還不知道如何操控微觀世界。在經典世界，人類的操控能力很強，可以發射機器人到火星上采集樣品，進行分析，并把分析結果的信號傳回地球。但是人類對微觀世界的操控能力遠未達到這樣的水平，這是極大的挑戰。

郭光燦極力在用通俗的語言向我們解釋這些高深的技術問題。

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

而如今量子計算和量子信息已經成為國家重要科技戰略，郭光燦先后擔任國家科技部973項目“量子通信與量子信息技術”首席科學家，中國科學院重要方向項目首席科學家，國家基金委創新群體學術帶頭人，國家科技部中長期規劃“量子調控”重大項目“量子通信與量子計算的物理實現”首席科學家。

今年除了“量子U盤”外，郭光燦團隊的另一篇量子計算研究成果也登上了Nature：他們利用固態量子存儲器和外置糾纏光源，首次實現兩個吸收型量子存儲器之間的可預報量子糾纏。

更愛用“量子霸權”一詞

近年來，隨著國內外量子計算技術上的重大突破，量子計算已經不再是“少數派”。

郭光燦認為，國外的量子計算商業化之路已經如火如荼，科技巨頭的大量投入，讓我們在短短5年內見證了量子計算的3大重要歷程碑：

1、2016年初，IBM 5量子比特的量子計算機云平臺上線；

2、2019年初，IBM第一臺20比特商用量子計算機；

3、2019年末，Google用53比特量子計算機實現“量子霸權”，用3分鐘時間算完了經典超級計算機10萬年才能算出的問題。

相比“量子優越性”，郭光燦更喜歡用“量子霸權”這一翻譯。因為這不僅意味著在某些算法上量子計算機對經典計算機的制霸，也體現各個國家在量子計算上的激烈競爭。

在技術上，中國正在快速趕超，努力擺脫技術上受制于人的局面，終于也在去年實現了“量子霸權”。

今年，中科院開發出為量子計算機提供超低溫環境的“稀釋制冷機”，而過去這種核心機器只能依賴進口。

由于量子計算是各大國必爭的科技高峰，核心技術一直對他國封鎖，“稀釋制冷機”的出現標志著量子計算“卡脖子”現狀正在逐步改善。

你卡我的時候，我可能慢一點，等我們補好了就更快了。我認為沒有什么被量子計算這種技術更難更不可克服，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。

“把中國量子計算機賣到國外去”

郭光燦認為，中國與世界頂尖的量子計算技術只有3年的差距。和某些行業相比，量子計算技術的代差算是很小了。

但令郭光燦憂慮的，不是技術上的差距，而是量子計算的應用生態：

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

但國內目前的現狀是：

1、從事硬件研發和生產的公司并不多；

2、量子計算的生態還沒有形成，差距會越拉越大。

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

而國內目前成功商業化的量子計算機硬件公司也僅有量子本源一家。

在量子硬件研發方面，郭光燦認為，谷歌的經驗值得借鑒。

當年谷歌不惜重金挖來加州大學圣巴巴拉分校的知名學者John Martinis，極大加速了谷歌的研發進度。

而這方面，國內企業做得還不夠。

國外像IBM、Google這樣的科技巨頭牽頭來做，已經形成了量子化學、藥物研發等實際應用，只有讓其他企業都用起來，才能促進量子計算生態的發展，

“把中國的量子計算機賣到國外去”，這是郭光燦的愿景，他認為解決了國產機器的軟件生態問題，有了自己的量子操作系統，這一天不會太遠。

80歲堅持寫量子計算科普

最令郭光燦憂心的是，國內優秀的量子計算人才外流，產業界又缺乏人才流入。

郭光燦說，他的團隊很多學生在量子計算上展現出優秀的天賦，但是到國外留學后不得不放棄量子計算專業，令他感到惋惜。

在人才體系建設上，我們可以輸血，但更重要的是提升自己的造血能力。

引進人才固然能“走捷徑”，但培養人才的興趣是關鍵，所以郭光燦要讓學生愛上量子計算事業。

不僅對團隊內的博士生竭盡所能支持，還要讓更多“門外漢”加入進來。

雖然已年近耄耋，但郭光燦堅持筆耕不輟，還在編寫一本量子力學科普讀物《顛覆：迎接第二次量子革命》。該書已經付梓印刷，預計年底前將正式出版。

郭光燦不僅因為他在科研上取得的眾多矚目成就，還因為他一直堅持物理學基礎教育，不少高校都在使用郭院士編寫的物理學教材。

但是面對量子計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，計算機和人工智能是現在學生選擇的熱門。

郭光燦希望這本科普讀物能讓學計算機的人也愛上量子計算，因為這個行業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中國計算機大會（CNCC）上，郭光燦決定做一場名為《量子計算機發展狀況》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家。

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

對于國內的物理系學生來說，郭光燦知名不僅因為他在科研上取得的眾多矚目成就，還因為他一直堅持物理學基礎教育。

現在隨著量子計算的大熱，他希望能“借著東風”將量子計算介紹給每個人。新書是一次嘗試，參加計算機學術會議也是。

不知在今年的CNCC上，物理和計算機會碰出怎樣的火花。