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。」

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臺計算機花了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系將會瓦解。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。

中國量子晶片「超導路線」遠遠落後

美國自上世紀90年代初就布局了量子計算機的研究，如今逐步聚焦到半導體量子晶片和超導固態體系。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。」

對於半導體量子晶片，郭光燦說，國際上目前已製備出三個比特的半導體量子晶片；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，在超導量子晶片方面，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，除了量子晶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，其所涉及的硬體問題包括量子晶片、操控系統、測量系統等的研發以及用於製備量子晶片的材料等；軟體包括量子編碼、量子軟體、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，量子晶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。