對話郭光燦院士:量子領域的競賽還沒有結果,正是我們的好機會

量子科技，一個看起來高深莫測的科技詞彙，因為中央政治局的一次集體學習迅速成為熱詞，圍繞什麼是量子科技、我國在該領域的研究成果、量子科技如何影響現有產業等問題的討論也持續火熱。

10月22日，新京報貝殼財經記者就量子科技的相關問題專訪了量子信息專家——中科院院士、中國科學技術大學郭光燦教授。郭院士在量子光學、量子密碼、量子計算、量子信息等眾多研究方向取得一系列優秀成果，是量子科技的先行者和開拓者。

郭光燦介紹，目前我國在量子領域的整體研究水平處在國際第一梯隊的位置，量子科技多應用在國防領域，如果未來通用量子計算機得到了廣泛應用，對醫藥、農業、人工智慧等行業都會產生重大影響。不過，他也坦陳，量子科技距離實用化還有一定的距離。

「這個時代量子計算機還沒有成熟，世界各國都處在競爭中，只有把通用量子計算機做出來，才算贏。」 郭光燦說，我們要培養更優秀的年輕人投入到量子信息研究的行列裡去，希望青年人把自己的興趣愛好和國家利益緊密結合。

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1. 談量子科技與生活

量子力學早已進入生活，量子科技將改變生活

新京報：我們普通人感覺量子科技離我們很遙遠，可否舉幾個例子讓我們感知量子科技的存在？

郭光燦：量子力學實際上早就應用到日常生活中了，例如現在我們用的手機、電腦，它的原理就是量子力學，但老百姓不知道它來源於量子力學。現在的手機、電腦是使用量子力學開發出來的經典技術，它們的核心裝置是晶片，晶片裡面的處理器基本單元是電晶體，電晶體是根據量子力學裡面的能帶理論製造出來的，電晶體造出來之後才有手機、計算機的晶片。還有當今網際網路傳輸信號必須使用的雷射，它是根據愛因斯坦的光量子輻射理論產生的，不過雷射本身是經典的，它的量子效應很低，所以可以忽略。由此可知，現代的手機、電腦、網際網路都是來源於量子力學開發的經典技術。

真正的量子科技確實離廣大民眾還很遠，因為還沒有一種量子產品成為老百姓的必需品。目前市場上有很多帶著「量子」二字的產品，什麼「量子水」、「量子鞋墊」，這些都是假的，都不是量子產品，短時間內量子產品也不可能走進千家萬戶。目前量子信息技術還處在初級階段，如果到了產品階段可以試用了，首先會在國家重要部門先試用，普通人還感受不到，只有量子計算機的普及用到各個領域了，老百姓才會感受到。

新京報：量子科技在哪些領域可以影響甚至顛覆現有產業？量子科技將會如何影響普通人的生活？

郭光燦：目前，量子科技還處在應用基礎研究的階段，目前應用最多的還是在部隊、機要部門，如量子密碼體系已經開始試用，但由於代價很高，所以在保密性要求不高的地方還用不上量子密碼，我們現在是把有用的東西先拿到國防領域去試，能夠為國防建設發揮作用的，我們再提高效率、提高精度，這種作用會逐步增加，最終形成對整個產業有重大的影響。

展望未來的話，如果通用量子計算機得到了廣泛應用，那麼各個行業，醫療、農業生產、工業生產、人工智慧，整個社會方方面面都會受到量子技術的影響，量子計算機能夠超過電子計算機，密碼領域量子通信可以提升傳輸的安全，量子傳感可以測量很多很重要的參數。

醫療方面，我們生產新的藥物的速度會大大提高，這是因為新藥製造需要計算機模擬哪個配方是最有效的，使用電子計算機模擬非常慢，但量子計算機很快就能計算出來，這就關係到老百姓的身體健康；人工智慧方面，無人駕駛汽車傳感器處理的速度如果使用量子技術的話反應能力就更快，性能就會提高；農業方面，量子計算機出來後，可以研究清楚光合作用是怎麼回事，有科學家預言，如果這個應用研究成功了，太陽能的利用會從現有的10%提高到20%~30%，農業會出現跳躍式發展，全球老百姓的吃飯就不會有問題，這對普通人的生活就非常有用。總之，現代大眾在使用的技術，插上量子的翅膀後性能都會大大提高，每個人都能感受到。

2.談量子研究現狀

我國量子信息技術研究處在國際前列

新京報：中央政治局集體學習時提到，量子力學是人類探究微觀世界的重大成果。那麼，該如何理解量子這個概念？

郭光燦：1900年，普朗克第一次把量子的概念引到物理學來，目的是為了解決「紫外災難」問題。普朗克心中的量子是「能量的最小單元」，也就是說，能量是一份一份的，有一個最小的單元。但這個「量子」在普朗克心中是虛構的，不是真實的，所以普朗克研究了十幾年也沒有把這個「心中的怪物」消滅掉。

愛因斯坦說量子本身就是真實的物理實在，是客觀存在的，例如光量子。光量子具有波粒二象性，是光束裡面最小的單元，也是能量單元，它有動量、有能量，是一個粒子，所以叫光量子或者光子。

此後，量子變成實在的物理課題，德布羅意再把波粒二象性推廣到所有的物質，成為物質波，所以到德布羅意時期，具有波粒二象性的微觀粒子都叫量子。

量子力學誕生以後量子的概念有很大的發展，量子不僅僅是微觀粒子了，宏觀上，像我們現在做到量子計算機、量子密碼它都不是能量的最小單元，但他是量子的。為什麼說它是量子的？因為它的運動規律是按照量子力學運行的，我們現在更準確的說，凡是運動規律符合量子力學的粒子或系統，都叫量子。

需要注意的是，現在有一些號稱「量子水」、「量子眼鏡」，那些根本和量子力學一點關係也沒有，只是炒作一個概念，要判斷這個東西是不是量子的，不是要看大小，也不是要看帶不帶量子這個名字，而是要看是不是必須用量子力學來處理它的運動規律，如果不是，那就不是量子的。

新京報：中央政治局集體學習時提出，總體上看，我國已經具備了在量子科技領域的科技實力和創新能力。同時，也要看到，我國量子科技發展存在不少短板，發展面臨多重挑戰。以你對該領域的認識，我國在量子領域的國際地位如何？

郭光燦：我們國家在量子領域的整體研究水平處在國際第一梯隊的位置，細分來看，我們在量子密碼領域跟國際一流是不相上下的，但我不能說它領先，因為美國從2015年開始就不再公布他們的研究成果了，我們不知道他們在什麼程度，自然也不能說領先他，但我們可以說不會輸他，我們是一流水平。而量子信息技術，我們可以實現世界上最高維度的量子糾纏，可以實現最高粒子數的糾纏，也可以達到世界上最高的糾纏的保真度，所以我們量子信息技術也是居於國際前沿的。

量子計算機我們落後美國大概五年以上的水平，但我們在這個領域也佔有一席之地。近期空客集團發起了一個競賽，請全世界搞量子計算的人使用量子計算機來解決某些問題，一共有36個單位參加，入圍決賽的5家單位中我國就有一家。

量子技術領域的基礎理論在20世紀80年代末90年代初已經基本完成了，量子計算、量子密碼、量子通信的基本原理在國際上已經完成了，那都是國外完成的，國內沒有貢獻。我國最早於1997年、1998年、2000年在國際上有影響的《物理評論快報》上發表了三篇關於量子信息的文章，讓世界聽到了中國在這一領域發出的聲音，那是我們第一次在國際上有發言權。而我們最近20年的工作就是此前已經完成的理論怎麼在物理上實現。

3. 談量子科技應用

量子科技研究一定要有實際應用價值

新京報：在你看來，目前量子領域研究最難攻關的地方在基礎理論研究還是實際應用？能否舉例說明？

郭光燦：實際應用方面，以量子計算機為例，根據量子計算機的原理，它是絕對能夠超過電子計算機的。因為電子計算機處理數據的方式是串行運算，即存儲器只能存一個數，我操作一次就變成另一個數，所以操作是一步一步的。量子計算機從原理上是並行處理，我操作一次可以把2的N次方數據變成另外2的N次方數據，所以我操作一次，相當於電子計算機操作2的N次方串行的次數，這就是量子計算機能夠超過電子計算機最重要的物理原因，這個物理原理科學家早就認識到了。現在我們要做的是怎麼在物理上實現這種並行處理的器件，這種器件的能力與它單個晶片裡面有多少個量子比特有關，量子比特就是那個「N」。當N達到一定程度，它一定可以超越所有電子計算機的能力。

雖然理論上已經證明過了，但實現起來還是很難。比如量子晶片並行處理能力的優點在於採用量子相干性，但量子相干性非常脆弱，很容易受到環境的破壞。能夠保持量子相干性的時間叫相干時間，這個相干時間很短，這就是現在阻礙量子計算機製造成功的一個障礙。設法把相干時間拉長的技術就叫做容錯糾錯技術，使用這種技術可以讓處理問題的時間更長，但要做到容錯糾錯，在技術上很難，他要求每一次操作的精度到達99.99%，這個非常難做到，實際器件裡達不到，糾錯容錯達不到。

現在能做到的是把單個處理器裡的「N」儘量增加，現在國外使用超導技術（但不使用糾錯容錯技術）做到了53個，已經演示了用200秒的時間算一個特定問題，該問題如果使用經典超算計算機要用一萬年，此時量子計算機超過了電子計算機，國外就說他們已經達成了「量子霸權」。但需要注意的是，它只是針對一個特定問題的超過，這個問題並沒有實際作用，所以現在量子計算機的演示還是在初級階段。如果我們找到一個有實際應用價值的問題，量子計算機能夠演示遠遠超過經典超級計算機的速度，那才算真正實現了「量子霸權」。

需要說明的是，這個「N」，即晶片上處理器的數量，一定是能可以編程的，如果這個「N」不能編程，就不能算量子計算機的量子晶片。比如我做到24個量子晶片，但不能操控，這個就不算量子計算機的晶片。從有用的價值來說，目前我國能夠做出來的是6個量子比特的量子計算機，這個計算機的水平相當於IBM公司2016年的水平，這6個量子比特我們很快可以再升級，IBM目前升級到了50幾個，我們年底可能升到24個，明年可能升到60個。第一步是我們也跟上，做出一個真正有用的量子計算機，讓大家都能用，這個第一步不說是最先進，但最起碼也是我們邁開的很有用的一步，此後再往下發展可能就快了。

而基礎理論研究方面，基礎理論成熟後，怎麼把它做出來？做出來的過程中，就有很多應用基礎理論的問題，比如說這個材料怎麼能讓相干時間拉得更長，如果拉得不長，器件就做不出來。那麼為什麼相干時間短呢？此時就要去做基礎研究，去研究什麼東西會影響相干時間變長，所以這種應用基礎研究也有理論的工作，我們現在面臨的理論問題有一些創新，比如量子計算機什麼結構最好，什麼物理體系做最好，這有很多理論工作，但這個理論不是量子信息原理性的理論，而是創造實現當中遇到的基礎理論問題，我們要不斷地解決這些問題，才可以把器件做的更好，所以後面要解決的理論問題，就比較偏重於實際系統碰到的理論問題。

現在，我們攻關的重點是如何使用糾錯容錯技術，做出能夠真正解決實際問題的專用機，這也是世界的難題。目前，我們也能把「N」提高，希望提高到能夠解決國防軍事上面對的困難，哪怕解決一個問題，都能做出一個實際貢獻。

4.談量子研究競賽

最終把通用量子計算機做出來，才算贏

新京報：中央政治局集體學習量子科技，科技部有關負責人日前也表示，加強前瞻部署和大力發展以智能技術和量子技術為特徵的新一代高新技術，打造我國高新技術先發優勢。如何看待目前國家對發展量子科技的重視？

郭光燦：中央把量子信息這個新興的方向作為國家的戰略定位來給予支持是非常重要的，相信國家只要花大力支持，我們就會發展的更快，我們要讓國家投入到量子信息領域的錢真正能夠對國家的國力提升、國際競爭發揮重大作用。

這個時代量子計算機還沒有成熟，世界各國都處在競爭中，雖然我們可能起步慢一點，但如果做好了還是能超過別人，最終把通用量子計算機做出來，才算贏。現在這個競賽還沒有結果，正是我們國家的好機會，如果我們做不好，失去了這個機會，那我們就辜負了中央對我們的期待，我們做不好就對不起國家，更對不起時代，對不起這段歷史。什麼叫失去了機會？如果未來量子計算機、量子晶片還要向美國人買，那我們就回到了電子計算機時代，讓國外控制我們，我們的實力就不行，所以我們現在負責做這件事的人，應該心胸開闊，眼光要看的遠一點，能夠團結國內的科技隊伍，齊心協力攻關，為國家真正在量子信息這個新興領域裡佔據有利地位做貢獻。

新京報：如何看待「要建立以信任為前提的頂尖科學家負責制，給他們充分的人財物自主權和技術路線決定權」這句話？

郭光燦：第一個方面，就是讓科學家有更大的自主權來開闢量子信息新技術的研究，讓它有更大的活力。因為這種研究最後的結果是未知的，一般來說，你提出一個項目，會有一個指標，做不到指標就完不成任務。但科研活動是創造性的，不可完全預知的，所以應該給科學家充分的信任和自由，哪怕失敗了，也是有益的探索。

第二方面，整個國家計劃的決策群體責任就更重大了，必須心胸寬闊，能集思廣益，能廣泛聽取科學家們的意見，充分討論，才能確定對國家最有利，最有價值的研究方向、目標、布局，如果我們主攻方向錯了，就會落後，誰也負不起這個責任。同時，在國家的支持下，給錢給政策了，決策群體應該把國內的研究力量儘可能團結起來，給予足夠多的經費，不搞小圈子，把國家利益放在最優先的位置。

5.談人才培養

應該從大學開始培養量子信息領域基礎知識

新京報：你認為應該如何鼓勵優秀青年人才加入量子科技的隊伍？

郭光燦：我覺得需要青年隊伍，量子信息發展不是一年兩年，十年二十年（的事情），而是一代一代的問題，所以我們一定要培養更優秀的年輕人投入到量子信息研究的行列裡去。

現在應該從大學生開始培養量子信息領域的基礎知識，吸引更多優秀人才投入到這裡。所以搞教育、科普非常重要，這也是我現在正在做的，我正在做以所有大學生為對象的高級科普課，想從最基本的量子論如何誕生到怎麼開拓出量子技術、量子計算機，講一門從基礎到前沿的課，目的就是想讓全國所有大學水平的年輕人和社會有興趣的人來閱讀，他們讀完後對量子有興趣，就可以吸引進來，再通過專業課考核成為我們自己培養的研究生。

現在我們確實需要自己培養人，以前我們還有一些從國外回來搞量子的人，雖然不多，但總有，那是因為當時美國等西方國家還允許我們的年輕人到國外去讀相關專業的研究生，但現在美國等西方國家在限制我們的大學生到國外讀高技術方面的研究生，封鎖了我們的人才，這就意味著未來不可能有更多的海歸人才了，我們更需要自己培養。我們過去從國外引進高水平人才，是為了輸血，但我們更需要自己造血，這才是國家強大的一個標誌。所以我們培養人才非常重要，尤其是量子信息這種高技術，國外對我們是封鎖的，美國不會甘心讓中國超過它，所以不可能替我們培養人才。

中國人才非常多，美國很多重要科研成果都是華人學生做出來的。未來這些人出不去了，我們在國內同樣可以培養。我們需要在我們的國土上培養出具有國際競爭力的優秀人才，現在，我們自己也有這個能力，這個工作我做了幾十年，目前我的實驗室裡培養出了6個「傑青」，13個「優青」，都是靠自己培養的，不是從國外回來的，這些年輕人都已經在國際上很有影響了，所以我們可以培養自己人。

新京報：想要投身量子科技建設必須是物理系出身嗎？你對想學習量子信息技術的青年人有何建議？

郭光燦：量子本身屬於物理方面，但作為技術發展，它也需要工程師，需要軟體方面、數學方面的人才，例如我們實驗室搞量子信息的人員，不僅有物理系的，各個科系的都有，人才只要能用上，再後補量子力學也可以，因為最後從量子做出成績一定要學量子力學。但是研究器件等工作也不一定都是量子，例如量子工程師不需要對量子那麼精通，不一定要物理系畢業。

我希望學習量子信息的青年人才，不要把個人利益放在第一位，要把自己的興趣愛好，自己追求的事業和國家的利益緊密結合，年輕人應該立下這種志氣。

新京報：作為一名科學家，你對量子科技的未來有什麼期待？

郭光燦：我期待兩方面，第一點，我們開拓出量子信息技術，包括量子計算機、量子傳感、量子模擬，所有這些新技術能夠為人類社會方方面面做出貢獻。第二點，量子世界非常奧妙，量子糾纏等現象背後的奧秘到現在還沒有揭開，這是因為一百多年前我們還沒有量子工具，我們只有經典工具，拿經典工具來研究量子世界的奧秘是研究不清楚的，因為拿粗糙的工具去研究更高深的東西是得不到全部信息的。現在我們有了量子信息技術這個「量子鑰匙」，就可以打開量子世界的大門，探索量子世界的奧妙，這對我們提高人類對自然界的認識，對量子世界的認識會起到非常大的作用，這種認識提高後，反過來我們會發現量子世界更多的性質，可以開拓出來為人類服務。

新京報貝殼財經記者 羅亦丹 編輯 趙澤 校對 李世輝