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.
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 大重要历程碑:
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. 我认为没有什么被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.
来源: http://news.51cto.com/art/202110/686563.htm