与非网 1 月 15 日讯,据报道,量子在人类科技进步中书写了浓墨重彩的一笔。谷歌实验证明了“量子优越性”,演示了量子计算具有超越经典超级计算机的计算能力。

 

 

日前,由智识学研社、知识分子、赛先生和墨子沙龙主办,在北京召开的“2020 年新年科学演讲”就将目光聚焦在量子信息革命上,并邀请著名量子物理学家、中国科学技术大学教授潘建伟作了题为“从爱因斯坦的好奇心到量子信息革命”的演讲。

 

第一次量子革命:被动观测与应用

事实上,人类已经经历过一次量子革命。那就是从 1900 年普朗克通过普朗克公式描述黑体辐射后提出量子论算起的百余年来,众多物理学家通过对量子规律的观测,成功构建起量子力学的物理大厦。

 

“正是第一次量子革命直接催生了现代信息技术。”潘建伟表示,基于量子力学原理,核能、半导体晶体管、激光、核磁共振、高温超导材料等诸多应用问世,很大程度上改变了我们的生活。

 

潘建伟进一步解释,有了半导体,才有现代意义上的通用计算机;为了向世界传递加速器数据,科学家们才发明了万维网;量子力学构建起非常精确的原子钟,才使 GPS 卫星全球定位、导航等成为可能。可以说,量子技术是现代信息技术的硬件基础。

 

“一部手机当中,至少凝聚了 8 项诺贝尔奖成果。”潘建伟谈到,其中很多与量子力学有关。例如,2000 年,用于屏幕的导电聚合物获诺贝尔化学奖,用于芯片的集成电路获诺贝尔物理学奖;2007 年,用于存储器的巨磁阻效应获诺贝尔物理学奖;2009 年,用于相机的半导体成像器件获诺贝尔物理学奖。

 

第二次量子革命:主动调控和操纵

潘建伟指出,科学家在对量子纠缠这一诡异的互动展开大量实验研究的过程中,发展出精细的量子调控技术,而结合量子调控和信息技术,人类迎来了以量子信息技术为代表的第二次量子革命,从对量子规律被动的观测和应用变成了对量子状态的主动调控和操纵。这一飞跃,正如人类对生物学的认识从孟德尔遗传定律跨越到 DNA 基因工程。

 

量子信息技术中的量子通信、量子计算能够满足信息技术发展至今对安全性的极高要求,和对计算能力的巨大需求。

 

“量子通信可以提供原理上无条件安全的通信方式。”潘建伟介绍,它的目标是要在更大的范围里实现安全的信息传输。它的发展路线是,先通过光纤实现城域量子通信,再通过中继器建立城际量子通信网络,最后通过卫星中转实现网络达不到的远距离量子通信。

 

“量子计算的发展则要分为三个阶段。”潘建伟认为,第一阶段,就是谷歌实现的量子霸权,即针对一些特殊问题,造出一台比目前计算机更快的量子计算机,大概需要 50 个量子比特;第二阶段,他们希望能够操纵几百个量子比特,实现一种专用的量子模拟机,用于高温超导机制、特殊材料设计等目前计算机无法处理的问题;第三阶段就是争取未来二三十年,造出可编程的通用量子计算机。

 

“我们已经能够实现 100 个甚至几百个原子的纠缠,在一些模拟的问题里,大概能够达到全世界计算能力总和的 100 万倍。”潘建伟透露,2020 年,研究团队计划实现对 50 个光子的相关操纵,验证量子霸权。其技术路线采用玻色取样,相比谷歌更具优越性,预计计算速度将达到全球最强超级计算机“顶点(Summit)”的 1 亿倍。在量子通信方面,他们计划研制一台光钟,精度达到 10-21 秒,大概 10 万亿年误差不超过 1 秒钟,这种技术也可以提供一种引力波探测的新途径。

 

“经典计算机是决定论的,经典人工智能无论多么聪明,我们觉得那还是一个机器人。”潘建伟总结道,但是量子力学第一次把观测者的意识与物质的演化结合起来,量子计算机可能和人类的大脑有一些相通。人工智能是一种软件技术,量子计算是硬件技术,人工智能和量子计算结合到一起的时候,其实是人类自己创造出了一个非生物体的“小孩”。

 

“从某种意义上来讲,这个‘小孩’可能比我们更聪明,甚至可以超越人类的智慧。”潘建伟说。

 

潘建伟:中国量子计算将如“雨后春笋”

47 岁的中国科学技术大学教授、中国科学院院士潘建伟,再一次站在聚光灯下。5 月 3 日,他代表团队在上海宣布两件关于量子的喜讯:成功研制世界首台超越早期经典计算机的量子计算机;成功实现目前世界上最大数目(10 个)超导量子比特纠缠。

 

相关成果分别发表于国际学术期刊《自然·光子学》和《物理评论快报》,引起海内外广泛关注。

 

“我们实现的是量子计算基础研究领域的第一步,一小步,但也是重要的一步。”面对蜂拥而至的媒体,潘建伟穿着惯常的驼色绒衫平静地说。

 

学界公认量子计算基础研究有“三步走”。第一步是展示超越首台电子计算机的计算能力,第二步是展示超越商用中央处理器的计算能力,第三步是展示超越超级计算机的计算能力。

 

潘建伟与陆朝阳课题组制造出的光量子计算原型机,计算速度超越了 71 年前诞生的世界首台经典算法计算机埃尼阿克(ENIAC)。一位审稿人评价:“你们构建了第一代‘ENIAC’量子机器。”

 

与此同时,朱晓波、王浩华、陆朝阳和潘建伟等科学家协同工作,成功实现 10 个超导量子比特的高精度操纵,打破了美国方面在 2015 年创造的 9 个超导量子比特操纵的纪录。

 

30 年前,潘建伟考入中国科学技术大学近代物理系,与量子结缘。21 年前,潘建伟师从量子力学大师塞林格,当被导师问及梦想,他脱口而出:“我要在中国建一个世界一流的量子物理实验室。”

 

如今作为中国量子领域研究的领军者,潘建伟雄心勃勃。他并不满足这两项最新成果,而是瞄准更高的要求。他说,要在 2017 年底实现大约 20 个光量子比特的操纵,同时制备出 20 个超导量子比特样品。他还说,要到 2020 年做到 45 至 50 个光量子比特的操纵,最终实现量子计算超越经典超级计算机的“量子称霸”目标。

 

由于量子计算的巨大潜在价值,欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源开展协同攻关,大型高科技企业如谷歌、微软、IBM 等早早布局量子计算研究。中国的科研院校及企业也必须参与这场国际竞争。

 

出生在浙江省,潘建伟用当地常见的“笋”来比喻中国量子计算领域的发展。他描绘说,笋尖刚长出来时进展较为缓慢,一旦长起来便越来越快。他说中国的量子计算就如“春笋”,“我们的爆发式增长已到了相变点”。

 

潘建伟有此判断,一方面是基于中国科学家多年积累。以他的团队为例,从 1999 年突破 4 光子纠缠操纵到 2016 年首次实现 10 光子纠缠操纵,他们始终“领跑”国际。

 

另一方面是国内已形成协同创新的良好风气,比如最新成果是由中国科学技术大学、浙江大学、中国科学院物理研究所等合作完成,并且得到中国科学院—阿里巴巴量子计算实验室等方面的资助。

 

“未来将面临激烈的竞争,我希望结合国家实验室建设,让许多研究者面向同一个目标,集中全国力量去攻克量子计算机,突破国外的封锁。”潘建伟微笑着说,“保守一点说,用 5 至 10 年时间造出几台解决材料设计、化学研究、物理研究等需求的专用量子计算机”。