量子技術將如何重構我們的生活

來源：學習時報 時間：2023-11-29 09:56:55 作者：郭光燦

　　郭光燦，福建泉州人，中國科學院量子信息重點實驗室主任，中國科學院院士，現任中國物理學會常務理事、中國光學學會理事長。他長期從事量子光學、量子通信和量子計算的理論與實驗研究，是中國量子光學和量子信息的開創(chuàng)者與奠基人，創(chuàng)建了我國第一個量子信息實驗室。擔任國家基金委創(chuàng)新群體學術帶頭人；科技部中長期規(guī)劃“量子調控”重大項目《量子通信與量子計算的物理實現》、中國科學院B類先導專項項目《基于固態(tài)系統(tǒng)的量子物理和量子信息》和基金委重大儀器專項《多功能固態(tài)量子存儲器》的首席科學家。2003年獲國家自然科學獎二等獎、何梁何利基金科技與技術進步獎，2009年當選為第三世界科學院院士，2013年當選“CCTV年度科技創(chuàng)新人物”。

　　“薛定諤的貓”在量子世界中，是生死疊加的狀態(tài)。你能想通嗎？想不通很正常，因為這是量子世界，是物理學最前沿的研究領域。19世紀末，經典物理學已經趨于完善，它幾乎完美地揭示了整個世界的運行規(guī)律，還催生了無數改變世界的技術和發(fā)明。但是1900年，著名英國物理學家威廉·湯姆森，即開爾文勛爵在展望20世紀的物理學時表示，在物理學晴朗的天空上，還有兩朵小小的令人不安的烏云。其中一朵烏云后來為我們打開了神奇的量子世界。量子究竟是什么？有哪些特性和用途？量子時代該如何布局？大眾對量子技術存在哪些誤區(qū)？

　　什么是量子

　　什么是量子？凡是運動規(guī)律遵從量子力學的那些客體，統(tǒng)統(tǒng)叫量子。那些遵從牛頓力學、電動力學經典物理的，叫做經典世界，量子世界是一個不確定的、概率性的世界。比如說，這個空間里有一個粒子，經典世界里“在這個時間這個粒子在空間哪一個位置”，它是完全確定的，但量子世界是不確定的，這個量子可能是光子、電子，也可能是夸克，要問這個粒子在空間哪個位置？量子力學告訴你，它是不確定的。比如一個人從合肥到北京，不可能同一時間既乘高鐵又坐飛機，這在經典世界是確定的。但要是一個量子，它可能既乘高鐵又坐飛機，兩條路同時來。自然界就是存在這種性質的粒子。這些量子世界和經典世界不同的所有的性質，統(tǒng)稱為量子性。比如說不確定性、概率性，還有量子糾纏、量子不可克隆等等，這些都叫量子性。

　　1900年，德國物理學家普朗克第一次提出量子的概念。之后，有很多優(yōu)秀的物理學家共同創(chuàng)立了一個能夠了解整個量子世界運行規(guī)律的理論，這個理論就是量子力學。那我們能不能把量子世界這種奇怪的量子性開發(fā)出來，為經典世界服務？是可能的，而且量子世界開發(fā)出來的技術，比在經典世界里開發(fā)出來的技術還要好。經典技術，比如互聯(lián)網、5G、人工智能現在發(fā)展得非常快，但這些技術發(fā)展到一定程度，性能很容易到達物理極限，就沒法再提高了。接下來，人類再想實現跨越式發(fā)展，就得靠量子技術，量子技術的性能遠遠超過經典技術。可以說，量子技術是下一代人類的新技術。

　　量子時代該如何布局

　　量子計算機被認為是當今最有前景的前沿技術之一，并有望改變世界。中國、美國等國家都在研發(fā)自己的量子計算機。那么，量子計算機有什么優(yōu)點？電子計算機的特點是串行運算，它的數據庫里每一個時間就存一個數據，是確定的。然后，你要解決問題就要操控它，操控一次就把這個數據變成另一個數據，再操控一次就變成另一個數據，直到把程序算完為止。這樣算有快有慢，但最后都是一步一步往下串，這就是串行運行的模式。量子計算機把0和1同時包在里面計算，所以它的特點是概率的、不確定的。量子存儲器一個時間可以同時存2的N次方的數據。N是什么呢？就是量子存儲器的數目，它隨著數目指數上升，操縱一次就可以把很多2的N次方的數據變成另外新的2的N次方數據，所以每一步操作是并行運行的，這是天然的量子性所決定的特點。并行運算處理數據能力是極強的，只要挺過前期的緩慢增長階段，指數的威力越靠后越大，大到難以想象。

　　這也是量子計算機吸引人的地方，那怎么還不做出來？量子計算機的優(yōu)點在于量子特性，而量子特性非常脆弱，一旦做出來量子計算機，它的量子性很容易被破壞掉，它的并行運算又會回到串行運算。所以要把相干性拉長才行，但是在宏觀世界里任何一個物理體系的相干性都比較差。相干時間，就是保持量子性的那段時間是很短的。比如超導量子計算機，科學家花了13年把超導的相干時間提高了5萬倍，達到100微秒，這是一個很大的進展。在宏觀世界100微秒太小了，但是在量子世界里100微秒已經很長了，足夠計算很多東西了。這種相干性的提高讓科學家很興奮，相干性一突破，量子計算機馬上就有可能比較快地做出來，所以有很多國家開始對其加大投入。隨后，美國、歐盟、澳大利亞等都制定了雄心勃勃的研發(fā)計劃。

　　整體來說，量子計算機處在電子計算機曾經歷過的一個從晶體管向集成電路過渡的階段。這幾年是研制量子計算機的關鍵時期，我們時不時會聽到國內外在這方面的一些進展。那么，量子時代究竟什么時候能到來？目前面臨兩個困難。一是人造的量子系統(tǒng)的相干時間非常短。二是人類操控量子計算機的技術還不成熟。2012年，兩位物理學家獲得諾貝爾物理學獎，因為他們操控了單個粒子、原子和光子，操控了一個就得了諾貝爾獎。而我們面臨的是量子計算機成千上萬的量子處理器，難度可想而知。所以，真正要研制成實用的量子計算機是一個很艱難的過程。什么時候能做到呢？一個時代到來一定有個標志性的東西，這個標志性是什么呢？就是通用量子計算機得到實際應用。

　　通用量子計算機如何做到呢？需要三步。第一步，做一個量子力學操縱的處理器，這個目前已經做到了。第二步，把量子比特數增加到100個左右，這時量子計算機的運算能力就會遠遠超過現在任何超算中心的能力，這叫量子霸權，但它仍然不是通用的量子計算機。第三步，把比特數增加至一千個、一萬個……還要采取容錯、糾錯的辦法，把相干時間拉長。任何復雜問題在量子計算機上都能夠運行、不會死掉，到那個時候才是真正的通用量子計算機，而且不僅要在實驗室做成，還要把它做成儀器能夠讓大家廣泛使用。

　　量子計算機能給人類帶來什么好處？它可以破解密碼，當前我們廣泛使用的密鑰安全不安全，取決于能不能用計算機把一個大數N分成兩個素數（質數）相乘。把129位數字分成兩個素數（質數）相乘的實驗，1994年在有1600臺電子計算機的工作站，一共花了8個月把它分出來了。但是如果N拉長，拉到500位，同樣的運算能力需要多長時間呢？比宇宙年齡還要長，也就是說宇宙毀滅了，我們還沒破解完。量子計算就不一樣了，如果我們有一個2000個量子比特的量子計算機，哪怕是量子霸權，只要一秒鐘就可以分解了。所以一旦量子計算機做成了，現在廣泛使用的公開密碼全都要破解。另外，搜尋算法可以在數據庫里大量的無規(guī)數據中找到一個特定的信息。比如說有N個條目的電話號碼本，忘了一個號碼，電子計算機怎么找？一個一個找，找一個比較一下，不是就扔掉，要找N次。如果用量子計算機怎么來找呢？找根號N次，比如說N等于100萬，電子計算機要操作100萬次才能找到，量子計算機只要找1000次，就能找到，這個搜尋問題的應用是非常廣泛的。還有，我們要設計一個能夠識別預制病毒活性的RNA（核糖核酸）分子，通常會在計算機模擬各種各樣的組合，看哪一個分子最有效，就好比大海撈針。但是用量子計算機，很復雜的物理體系都能模擬出來。有些理論上算出它可能存在，但是自然界根本不存在的東西，也可以用量子模擬研究。量子技術除了量子計算機、量子模擬，還有個量子密碼。我們前面說的密碼，它的安全性都靠數學，但量子密碼靠物理，靠量子力學，這樣從物理角度給我們提供了一種新的信息安全手段。還有量子傳感，它的靈敏度、精度相對于傳統(tǒng)傳感技術大大提高。這種量子技術，會逐漸發(fā)展，為我們人類的美好生活服務。

　　有關量子技術的誤區(qū)有哪些

　　有關量子技術的誤區(qū)來源主要有兩個。量子本身就很神奇，因為人類處于經典世界，我們熟悉經典物理，對量子奇奇怪怪的性質我們不好理解，這是容易產生誤區(qū)的一個原因；第二個原因是人為的，就是我們的宣傳誤導了。舉一個例子，關于量子糾纏是否可以實現超光速的通信。量子糾纏是怎么回事兒呢？兩個粒子A和B，A自旋，要么向上，要么向下，只有兩種可能。自旋到底是向上、向下，不確定，所以它有50%的概率向上，50%的概率向下，量子世界是不確定的，B也是這樣自旋，要么向上，要么向下?，F在造一個A和B共同的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)非常特殊，就是不管A和B的自旋在哪兒，它們兩個自旋總是相反。這是它們共同的性質，就是A已經是向下了，B肯定向上，如果A不測量，那么B各有一半概率向上向下；先測量A，B發(fā)生變化，那應該有個什么東西過去才會變。我們現在不做這樣的實驗，我把A和B同時測量，沒有先后，沒有因果，不需要信息傳過去了，或同時不傳什么，發(fā)現的結果一樣，A只要向下，B一定向上，A要向上，B一定向下，它們總是相反。這個性質使它們糾纏，這說明它們兩個是完全關聯(lián)的，是一種量子關聯(lián)。所以糾纏幽靈的本質，就是量子關聯(lián)，量子關聯(lián)所發(fā)生的瞬時變化，不需要傳遞任何信息，根本就沒有信息的傳遞，沒有信息的傳遞就談不到超光速的信息，這也是量子力學的“非局域現象”。量子關聯(lián)是量子力學非常基本的性質，所以現在提供很有用的工具，叫EPR效應，是量子力學一個基本效應。什么叫EPR效應？比如說一個母親在北京，她女兒在深圳結婚生子，盡管她女兒沒有告訴她，但孩子生出來那一瞬間這個在北京的母親就自動變成外婆，這就是EPR效應。不管兩個人分得多開，這就是關聯(lián)。這個跟糾纏一樣，糾纏是兩個粒子總是相反的，我在哪兒測量，它一定變。所以，科學對糾纏的理解，就是沒有任何信息的傳遞，也不可能拿這種糾纏開發(fā)到經典世界里做超光速通信，是絕對做不到的。

　　還有一個例子，有的文章提出量子技術可以將人瞬時送到另外一個星球，“蹭”一下子就過去了，這個絕對做不到。這里面需要兩個條件：一個是糾纏，一個是經典通信。經典通信就不會超光速，這個絕對不是技術上不完整，而是原理上根本做不到。

　　這兩個例子對公眾影響非常大，把量子力學、量子信息搞得很神奇。還有量子水、量子按摩、量子鞋墊、量子醫(yī)學的廣告到處都是。是不是量子，就看它有沒有用量子力學的規(guī)律來做運行。目前，還沒有一個量子產品能夠普遍應用到廣大群眾那里去，還做不到。量子糾纏是量子世界獨有的現象，超過了量子世界，就沒有糾纏這個概念。所以把人體的一些活動，特別是把搞不清的內容歸到量子糾纏去，這是不對的。

　　量子力學是成功的理論，量子信息技術也是量子力學推導出來的，所以原理上是正確的，盡管技術上比較難，但只要慢慢做，就一定能做成。一旦量子技術到來了，人類社會就會進一步發(fā)展，生產力會發(fā)展到一個新的階段，我們把這個階段稱為“第二次量子革命”。所以，我們現在正在迎接“第二次量子革命”的到來，量子信息技術就是未來新一代的技術！

責任編輯：張薇