郭光灿院士：“量子计算器”可能先出现

图说：郭光灿院士

“有人宣传说量子什么技术马上可以走进千家万户，这是不对的，量子技术距离真正的应用还早。”11月15日，中国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭光灿在“中国高新技术论坛——颠覆性创新技术主题论坛”上就量子计算机相关主题发表的演讲中提到，近几年量子信息“炒作太过分”。

“量子世界确实神奇，但经过某些媒体、个别学者炒作以后，把量子信息弄得非常火，什么灵魂、宗教这些自然界搞不清的都可以归结于量子纠缠，这是不对的。”事后，郭光灿对《中国科学报》记者说，“后来有媒体采访我，我当时讲得不多，但我想强调的主要观点是，量子信息是科学，不是玄学！科普不应当是科幻。”

“超光速信息传输”和“瞬移”，量子技术做不到

“从经典工具迈进到量子工具新时代，这是量子信息诞生的重大意义。但是，尽管量子时代的前景非常辉煌，但是它的路很漫长。”郭光灿说，“量子技术可以给人类带来什么？有哪些潜在的应用？不能做什么？哪些是非科学的玄学？必须讲清楚。随着人们研究得不断深入，可用的量子技术会不断开拓出来。”

在可用的量子技术中，量子计算机是“最重要的”。但是郭光灿强调，量子技术有两点“肯定做不到”：第一，量子世界不存在“超光速的信息传输”；第二，量子信息不可能把人瞬时地从一个地方传送到另一个地方。

人们对“超光速的信息传输”的误导，源于量子纠缠。“量子纠缠非常奇异：A、B两个纠缠粒子，对其中一个粒子的‘测量’便瞬时引起另一个粒子的状态发生变化——这种瞬时的变化被认为是超光速的通信、 ‘幽灵般地超距效应’。”郭光灿说，其实，和经典世界一样，量子世界并不存在超光速的信息传输。

“那么‘幽灵’究竟是什么？事实是，两个纠缠粒子之间的瞬时变化无需（未发生）任何信息的传递，真实的物理原因是它们的‘量子关联’。”他说，量子关联是产生这个现象的本质因素。

而所谓量子信息技术可以把人瞬移到另外一个地方，只存在于科幻电影里。

“可以负责任地说，量子技术肯定做不到瞬移，这不是技术达不到，而是原理不通。”郭光灿说：“把科学幻想和神话当成科学知识来传播，是将量子力学妖魔化。”

量子计算机最大的不同：并行运算能力

谈到量子计算机，郭光灿院士首先提到了“摩尔定律的终结”。

“一旦摩尔定律终结了，什么技术能继续提高计算机的运算速度？量子计算技术。量子计算机与经典计算机的最大不同，是来自于量子世界特性的并行运算能力——量子计算机就是靠并行运算能力来加速运算速度的。”

美国数学家Peter·Shor提出了一种可以求解大数质因子分解的算法——“Shor算法”，这种方法可以破解当前已被广泛使用的公开密钥加密方法（RSA加密）。但是这种算法要想分解一个位数较多的大数也是非常困难的。

郭光灿举例说，比如要分解一个129位大数的质因数，有科学家曾用1600台计算机花了8个月的时间才分解成功——这也正是这一加密方法被广泛应用的原因。但是一旦量子计算机研制成功，几秒钟就能破解。

也就是说，一旦量子计算机研制成功，现在广泛使用的公开密码体系将会瓦解。郭光灿说，最近美国已经宣布要把现有的公开密钥分期分批淘汰，这也是因为“量子计算机的实现已不再是遥遥无期了”。

“经典计算机跟量子计算机相比，就好像算盘跟经典电子计算机相比一样。因此，一旦通用的量子计算机问世，人类社会将会经历天翻地覆的变化。”郭光灿表示。

中国量子芯片“超导路线”远远落后

美国自90年代初就布局了量子计算机的研究，如今逐步聚焦到半导体量子芯片和超导固态体系。郭光灿介绍说，目前这两个领域的进展各有千秋。

超导体系方面，郭光灿说：“超导固态体系的好处是可扩展，缺点是量子相干性非常脆弱——如果量子计算机还没来及解决问题（量子相干性）就被破坏掉，那么运算就失败了。因此，（对于超导路线）量子容错是一个关键问题。”

而半导体量子芯片，郭光灿说，国际上目前已制备出三个比特的半导体量子芯片；中科院量子信息重点实验室目前也已经做到三个量子比特，基本上达到国际的水平。

但郭光灿表示：“半导体路线，虽然有进展，但是离终点还很远。”他还提到，在超导量子芯片方面，国际上比较领先，相干时间已经延长到100微秒，量子比特数做到了十几个，而国内在超导路线上远远落后。

“量子计算机的主要困难，除了量子芯片的量子比特数要达到一定数量（可实用的量子计算机可能至少需要1000个物理量子比特）之外，还要求量子相干时间足够长，这需要采用量子纠错和容错技术，然而这两项技术都很难实现。”郭光灿说，虽然理论上能够解决，但做起来极其困难。

“量子计算机的研制是一个复杂的工程问题。”郭光灿介绍说，其所涉及的硬件问题包括量子芯片、操控系统、测量系统等的研发以及用于制备量子芯片的材料等；软件包括量子编码、量子软件、量子系统的结构等。

“量子计算器”可能先出现

关于“量子计算机何时能够实现？”这一问题，美国总统科学技术办公室曾于2017年7月发文称：“预计几十个量子比特、可供早期量子计算机科学研究的系统可望在5年内实现。”欧盟委员会则在2017年5月于荷兰阿姆斯特丹举办的欧洲量子会议上发布《量子宣言》，计划“5年内发展量子计算机新算法，5~10年用大于100物理量子比特、有特定用途的量子计算机解决化学和材料科学难题”。

加州理工学院理论物理学家John Preskill曾提出“quantum supremacy”（被译作“量子霸权”），用以表达一旦研制成功，“量子计算机将拥有传统超级计算机所不具有的能力”。

对此，郭光灿表示，要实现quantum supremacy，量子芯片的量子比特数起码要达到100个左右：“也就是说做到经典计算机没有办法超越的水平可能要到100个逻辑比特左右。”

不过，郭光灿认为，即使实现了“量子霸权”，其应用也是非常有限：“只能用于功能比较低级的应用，而且是专用机不是通用机。”

专用机是指在相干时间内处理特定任务的机器。不过，专用机尽管低级，其五脏俱全。“就像电子计算机普及以前，电子计算器先普及一样，功能很差但是它是数据运算很全。将来有可能先是量子计算器产品上市，这是大概的状态。”郭光灿认为，未来率先上市的可能是“量子计算器”。

来源：科学网