中國科學院院士郭光燦:量子信息勿過分炒作
有人宣傳說量子什麼技術馬上可以走進千家萬戶,這是不對的,量子技術距離真正的應用還早。”11月15日,中國科學院院士、中國科學院量子信息重點實驗室主任郭光燦在“中國高新技術論壇——顛覆性創新技術主題論壇”上就量子計算機相關主題發表的演講中提到,近幾年量子信息“炒作太過分”。
“量子世界確實神奇,但經過某些媒體、個別學者炒作以後,把量子信息弄得非常火,什麼靈魂、宗教這些自然界搞不清的都可以歸結於量子糾纏,這是不對的。”事後,郭光燦對《中國科學報》記者說,“後來有媒體採訪我,我當時講得不多,但我想強調的主要觀點是,量子信息是科學,不是玄學!科普不應當是科幻。”
“超光速信息傳輸”和“瞬移”
量子技術做不到
“從經典工具邁進到量子工具新時代,這是量子信息誕生的重大意義。但是,儘管量子時代的前景非常輝煌,但是它的路很漫長。”郭光燦說,“量子技術可以給人類帶來什麼?有哪些潛在的應用?不能做什麼?哪些是非科學的玄學?必須講清楚。隨著人們研究的不斷深入,可用的量子技術會不斷開拓出來。”
在可用的量子技術中,量子計算機是“最重要的”。但是,郭光燦強調,量子技術有兩點“肯定做不到”:第一,量子世界不存在“超光速的信息傳輸”;第二,量子信息不可能把人瞬時從一個地方傳送到另一個地方。
人們對“超光速的信息傳輸”的誤導,源於量子糾纏。“量子糾纏非常奇異:A、B兩個糾纏粒子,對其中一個粒子的’測量’便瞬時引起另一個粒子的狀態發生變化——這種瞬時的變化被認為是超光速的通信、’幽靈般的超距效應’。”郭光燦說,其實,和經典世界一樣,量子世界並不存在超光速的信息傳輸。
“那麼’幽靈’究竟是什麼?事實是,兩個糾纏粒子之間的瞬時變化無需(未發生)任何信息的傳遞,真實的物理原因是它們的’量子關聯’。”他說,量子關聯是產生這個現象的本質因素。
而所謂量子信息技術可以把人瞬移到另外一個地方,只存在於科幻電影裡。
“可以負責任地說,量子技術肯定做不到瞬移,這不是技術達不到,而是原理不通。”郭光燦說,“把科學幻想和神話當成科學知識來傳播,是將量子力學妖魔化。”
量子計算機最大的不同:並行運算能力
談到量子計算機,郭光燦院士首先提到了“摩爾定律的終結”。
“一旦摩爾定律終結了,什麼技術能繼續提高計算機的運算速度?量子計算技術。量子計算機與經典計算機的最大不同,是來自於量子世界特性的並行運算能力——量子計算機就是靠並行運算能力來加速運算速度的。”
美國數學家Peter Shor提出了一種可以求解大數質因子分解的算法——“Shor算法”,這種方法可以破解當前已被廣泛使用的公開密鑰加密方法(RSA加密)。但是,這種算法要想分解一個位數較多的大數也是非常困難的。
郭光燦舉例說,比如要分解一個129位大數的質因數,有科學家曾用1600台計算機花了8個月的時間才分解成功——這也正是這一加密方法被廣泛應用的原因。然而,一旦量子計算機研製成功,幾秒鐘就能破解。
也就是說,一旦量子計算機研製成功,現在廣泛使用的公開密碼體係將會瓦解。郭光燦說,最近美國已經宣布要把現有的公開密鑰分期分批淘汰,這也是因為“量子計算機的實現已不再是遙遙無期了”。
“經典計算機跟量子計算機相比,就好像算盤跟經典電子計算機相比一樣。因此,一旦通用的量子計算機問世,人類社會將會經歷天翻地覆的變化。”郭光燦表示。
中國量子芯片“超導路線”遠遠落後
美國自上世紀90年代初就佈局了量子計算機的研究,如今逐步聚焦到半導體量子芯片和超導固態體系。郭光燦介紹說,目前這兩個領域的進展各有千秋。
超導體系方面,郭光燦說:“超導固態體系的好處是可擴展,缺點是量子相干性非常脆弱——如果量子計算機還沒來得及解決問題(量子相干性)就被破壞掉,那麼運算就失敗了。因此,(對於超導路線)量子容錯是一個關鍵問題。”
對於半導體量子芯片,郭光燦說,國際上目前已製備出三個比特的半導體量子芯片;中科院量子信息重點實驗室目前也已經做到三個量子比特,基本上達到國際水平。
但郭光燦表示:“半導體路線雖然有進展,但是離終點還很遠。”他還提到,在超導量子芯片方面,國際上比較領先,相干時間已經延長到100微秒,量子比特數做到了十幾個,而國內在超導路線上遠遠落後。
“量子計算機的主要困難,除了量子芯片的量子比特數要達到一定數量(可實用的量子計算機可能至少需要1000個物理量子比特)之外,還要求量子相干時間足夠長,這需要採用量子糾錯和容錯技術,然而這兩項技術都很難實現。”郭光燦說,雖然理論上能夠解決,但做起來極其困難。
“量子計算機的研製是一個複雜的工程問題。”郭光燦介紹說,其所涉及的硬件問題包括量子芯片、操控系統、測量系統等的研發以及用於製備量子芯片的材料等;軟件包括量子編碼、量子軟件、量子系統的結構等。
“量子計算器”可能先出現
關於“量子計算機何時能夠實現”這一問題,美國總統科學技術辦公室曾於2017年7月發文稱:“預計幾十個量子比特、可供早期量子計算機科學研究的系統可望在5年內實現。”歐盟委員會則在2017年5月於荷蘭阿姆斯特丹舉辦的歐洲量子會議上發布《量子宣言》,計劃“5年內發展量子計算機新算法,5~10年用大於100物理量子比特、有特定用途的量子計算機解決化學和材料科學難題”。
加州理工學院理論物理學家John Preskill曾提出“quantum supremacy”(被譯作“量子霸權”),用以表達一旦研製成功,“量子計算機將擁有傳統超級計算機所不具備的能力”。
對此,郭光燦表示,要實現quantum supremacy,量子芯片的量子比特數起碼要達到100個左右,“也就是說做到經典計算機沒有辦法超越的水平可能要到100個邏輯比特左右”。
不過,郭光燦認為,即使實現了“量子霸權”,其應用也非常有限,“只能用於功能比較低級的應用,而且是專用機不是通用機”。
專用機是指在相干時間內處理特定任務的機器。不過,專用機儘管低級,其五臟俱全。“就像電子計算機普及以前,電子計算器先普及一樣,雖然功能很差,但它數據運算很全。將來很有可能是量子計算器產品率先上市。”郭光燦認為。