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对话郭光灿院士:量子科技研究一定要有实际应用价值

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  量子科技,一个看起来高深莫测的科技词汇,因为中央政治局的一次集体学习迅速成为热词,围绕什么是量子科技、我国在该领域的研究成果、量子科技如何影响现有产业等问题的讨论也持续火热。

  10月22日,新京报贝壳财经记者就量子科技的相关问题专访了量子信息专家——中科院院士、中国科学技术大学郭光灿教授。郭院士在量子光学、量子密码、量子计算、量子信息等众多研究方向取得一系列优秀成果,是量子科技的先行者和开拓者。

  

  量子信息专家,中科院院士、中国科学技术大学郭光灿教授。 受访者供图

  新京报:在你看来,目前量子领域研究最难攻关的地方在基础理论研究还是实际应用?能否举例说明?

  郭光灿:实际应用方面,以量子计算机为例,根据量子计算机的原理,它是绝对能够超过电子计算机的。因为电子计算机处理数据的方式是串行运算,即存储器只能存一个数,我操作一次就变成另一个数,所以操作是一步一步的。量子计算机从原理上是并行处理,我操作一次可以把2的N次方数据变成另外2的N次方数据,所以我操作一次,相当于电子计算机操作2的N次方串行的次数,这就是量子计算机能够超过电子计算机最重要的物理原因,这个物理原理科学家早就认识到了。现在我们要做的是怎么在物理上实现这种并行处理的器件,这种器件的能力与它单个芯片里面有多少个量子比特有关,量子比特就是那个“N”。当N达到一定程度,它一定可以超越所有电子计算机的能力。

  虽然理论上已经证明过了,但实现起来还是很难。比如量子芯片并行处理能力的优点在于采用量子相干性,但量子相干性非常脆弱,很容易受到环境的破坏。能够保持量子相干性的时间叫相干时间,这个相干时间很短,这就是现在阻碍量子计算机制造成功的一个障碍。设法把相干时间拉长的技术就叫做容错纠错技术,使用这种技术可以让处理问题的时间更长,但要做到容错纠错,在技术上很难,他要求每一次操作的精度到达99.99%,这个非常难做到,实际器件里达不到,纠错容错达不到。

  现在能做到的是把单个处理器里的“N”尽量增加,现在国外使用超导技术(但不使用纠错容错技术)做到了53个,已经演示了用200秒的时间算一个特定问题,该问题如果使用经典超算计算机要用一万年,此时量子计算机超过了电子计算机,国外就说他们已经达成了“量子霸权”。但需要注意的是,它只是针对一个特定问题的超过,这个问题并没有实际作用,所以现在量子计算机的演示还是在初级阶段。如果我们找到一个有实际应用价值的问题,量子计算机能够演示远远超过经典超级计算机的速度,那才算真正实现了“量子霸权”。

  需要说明的是,这个“N”,即芯片上处理器的数量,一定是能可以编程的,如果这个“N”不能编程,就不能算量子计算机的量子芯片。比如我做到24个量子芯片,但不能操控,这个就不算量子计算机的芯片。从有用的价值来说,目前我国能够做出来的是6个量子比特的量子计算机,这个计算机的水平相当于IBM公司2016年的水平,这6个量子比特我们很快可以再升级,IBM目前升级到了50几个,我们年底可能升到24个,明年可能升到60个。第一步是我们也跟上,做出一个真正有用的量子计算机,让大家都能用,这个第一步不说是最先进,但最起码也是我们迈开的很有用的一步,此后再往下发展可能就快了。

  而基础理论研究方面,基础理论成熟后,怎么把它做出来?做出来的过程中,就有很多应用基础理论的问题,比如说这个材料怎么能让相干时间拉得更长,如果拉得不长,器件就做不出来。那么为什么相干时间短呢?此时就要去做基础研究,去研究什么东西会影响相干时间变长,所以这种应用基础研究也有理论的工作,我们现在面临的理论问题有一些创新,比如量子计算机什么结构最好,什么物理体系做最好,这有很多理论工作,但这个理论不是量子信息原理性的理论,而是创造实现当中遇到的基础理论问题,我们要不断地解决这些问题,才可以把器件做的更好,所以后面要解决的理论问题,就比较偏重于实际系统碰到的理论问题。

  现在,我们攻关的重点是如何使用纠错容错技术,做出能够真正解决实际问题的专用机,这也是世界的难题。目前,我们也能把“N”提高,希望提高到能够解决国防军事上面对的困难,哪怕解决一个问题,都能做出一个实际贡献。

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