中国科学院院士郭光灿:量子信息勿过分炒作

中国科学院院士郭光灿:量子信息勿过分炒作
2018年11月22日 10:02 新浪科技综合

  来源:中国科学报

  “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。随着人们研究的不断深入,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、‘幽灵般的超距效应’。”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。然而,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

  美国自上世纪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得及解决问题(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。”

  对于半导体量子芯片,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备的能力”。

  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,虽然功能很差,但它数据运算很全。将来很有可能是量子计算器产品率先上市。”郭光灿认为。

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