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郭光燦

中國(guó)科學(xué)院院士

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授

量子算力加上人工智能，10年以后就會(huì)誕生量子人工智能的新學(xué)科。

我國(guó)的量子計(jì)算水平目前位于國(guó)際第一梯隊(duì)，但與美國(guó)還有差距，日本和德國(guó)等正在追趕，我們還要繼續(xù)努力。

盡管一連18年苦坐“冷板凳”，我也沒有想過(guò)放棄，因?yàn)槲抑肋@對(duì)于國(guó)家發(fā)展的重要性?，F(xiàn)在年輕人多了，國(guó)家也給了很多支持，量子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了百花齊放的階段。我用了一生的時(shí)間來(lái)做到這一點(diǎn)，也是完成了自己的使命，值得。

新年論壇上，郭光燦院士發(fā)表主題演講“引爆‘第二次量子革命’的世紀(jì)爭(zhēng)論”并接受多家媒體采訪，在回溯量子力學(xué)發(fā)展沿革中，分享量子技術(shù)最新進(jìn)展，和自己堅(jiān)持量子研究三十余年“一生只做一件事”的人生體悟。

01量子力學(xué)“幽靈”與世紀(jì)爭(zhēng)論

愛因斯坦和玻爾的第一場(chǎng)爭(zhēng)論始于1927年10月的第五屆索爾維會(huì)議。這場(chǎng)會(huì)議有29位世界著名科學(xué)家出席，包括居里夫人、普朗克等，其中有17個(gè)人先后獲得諾貝爾獎(jiǎng)，可見會(huì)議規(guī)格之高。

會(huì)議的核心議題是量子力學(xué)，而會(huì)議的主角是愛因斯坦。愛因斯坦的立場(chǎng)是向量子力學(xué)提出挑戰(zhàn)，他的挑戰(zhàn)對(duì)象是建立量子力學(xué)哥本哈根學(xué)派的玻爾。雙方在三年后的第六次會(huì)議上還展開了第二場(chǎng)爭(zhēng)論，兩次交鋒均以愛因斯坦的失敗告終。

愛因斯坦指出，量子力學(xué)中存在一種“特殊”的超距作用。自此，愛因斯坦挑起物理學(xué)近90年的一場(chǎng)歷史性學(xué)術(shù)爭(zhēng)論，極大推動(dòng)了量子力學(xué)的深刻發(fā)展。

1935年，愛因斯坦在《物理評(píng)論》上發(fā)表了一篇由他和兩位年輕人共同完成的文章，也就是歷史上著名的“EPR佯謬”，文中講述了什么是特殊超距作用。

EPR的思想實(shí)驗(yàn)詳細(xì)闡明了這種“特殊超距作用”：設(shè)想有兩個(gè)量子客體A和B，其自旋要么向上，要么向下。自旋總是相反的兩粒子系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)上可制備，按照量子力學(xué)理論，如果單獨(dú)測(cè)量A或B的自旋，有50%的概率向上，50%的概率向下；如果將A和B分別發(fā)送到地球和月球上，A與B之間就會(huì)存在“幽靈般”的超距作用。

在地球上測(cè)量A的自旋，結(jié)果是向上，那么月球上B的自旋不管測(cè)量還是不測(cè)量，其自旋“即時(shí)”為向下。愛因斯坦認(rèn)為，這個(gè)現(xiàn)象絕對(duì)不會(huì)發(fā)生，他稱之為“幽靈”超距作用，認(rèn)為“量子力學(xué)不完備”，引進(jìn)隱參數(shù)便可以“消除”這個(gè)“幽靈”。

02跨越90年解決世紀(jì)難題

世界究竟是遵從量子力學(xué)還是隱參數(shù)理論？這是個(gè)富有“哲學(xué)”意味的辯題。30多年之后，解決這個(gè)重大爭(zhēng)論的人出現(xiàn)了，正是愛因斯坦的崇拜者貝爾（John Bell）。

1964年，貝爾在美國(guó)加利福尼亞州出差時(shí)，利用業(yè)余時(shí)間研究愛因斯坦與玻爾的歷史性爭(zhēng)論，并且在一本不起眼的刊物《物理》上發(fā)表了一篇在歷史上具有重要意義的文章——《論EPR佯謬》。

貝爾做了兩點(diǎn)假設(shè)：一、局域性，沒有任何相互作用的客體不會(huì)相互影響，或者說(shuō)不存在超光速的關(guān)聯(lián)。二、實(shí)在論，測(cè)量之前存在有客觀實(shí)體。在這兩點(diǎn)假設(shè)下，貝爾推導(dǎo)出，EPR佯謬的實(shí)驗(yàn)必定滿足某個(gè)不等式，即貝爾不等式。

如果這個(gè)不等式永遠(yuǎn)成立，那就證明量子力學(xué)是不完備的，要用隱參數(shù)理論來(lái)替代量子力學(xué)。如果實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)貝爾不等式被違背了，那就說(shuō)明愛因斯坦錯(cuò)了，量子力學(xué)是完備的，“幽靈”是存在的。

1972年，美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F. Clauser）最早根據(jù)貝爾不等式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。遺憾的是，當(dāng)時(shí)儀器太過(guò)粗糙。到了1982年，法國(guó)物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）的實(shí)驗(yàn)得到公認(rèn)，貝爾不等式被違背，但仍存在漏洞。2015年，荷蘭代爾夫特大學(xué)物理學(xué)家羅納德·漢森(Ronald Hanson)團(tuán)隊(duì)完成無(wú)漏洞的貝爾不等式違背實(shí)驗(yàn)。

2022年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)同時(shí)頒發(fā)給阿蘭·阿斯佩、約翰·弗朗西斯·克勞澤和奧地利物理學(xué)家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們“用糾纏光子驗(yàn)證了量子不遵循貝爾不等式，開創(chuàng)了量子信息學(xué)”。至此，這場(chǎng)歷經(jīng)90年的討論有了最后的答案。

03量子糾纏與“超光速”無(wú)關(guān)

貝爾不等式也被稱為“貝爾定理”，即如果一個(gè)理論是局域性的，那么它將與量子力學(xué)的預(yù)言相沖突，任何與量子力學(xué)一致的理論都必須是非局域性的。簡(jiǎn)而言之，量子世界是非局域性的。

經(jīng)典世界是局域性的，量子世界是非局域性的，非局域性就是沒有相互作用也會(huì)相互影響。為什么沒有相互作用也會(huì)相互影響？?jī)蓚€(gè)物體有關(guān)聯(lián)就會(huì)互相影響。

“EPR佯謬”是一個(gè)關(guān)聯(lián)，我們要求A和B兩個(gè)粒子自旋總是相反，這就意味著這兩個(gè)粒子的自旋，物理量是關(guān)聯(lián)的，關(guān)聯(lián)就會(huì)互相影響，所以A的自旋發(fā)生變化，B馬上也會(huì)變化，這種量子關(guān)聯(lián)就叫“糾纏態(tài)”。

“糾纏態(tài)”就是關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)變化，不需要傳送任何信息。很多科普文章說(shuō)“糾纏”就是超光速，這是完全錯(cuò)誤的。糾纏來(lái)自于關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)的變化不需要傳送信息，也就不存在超光速。

如果有100對(duì)糾纏態(tài)的粒子，100個(gè)A放在地球，100個(gè)B放在月球，同時(shí)測(cè)量所有的A和B，測(cè)量以后會(huì)出現(xiàn)什么情況？地球上測(cè)量A，向上向下是隨機(jī)數(shù)；月球上的B，向上向下也是隨機(jī)數(shù)。看起來(lái)好像沒有關(guān)系，但實(shí)際上，這兩個(gè)隨機(jī)數(shù)是完全關(guān)聯(lián)的。單看隨機(jī)數(shù)是隨意的，但兩個(gè)進(jìn)行比較一定是關(guān)聯(lián)的，而且是嚴(yán)格的關(guān)聯(lián)。

利用這個(gè)特性，我們可以用來(lái)做一件有意義的事——量子密碼。一對(duì)一對(duì)的發(fā)生糾纏對(duì)，例如一對(duì)到Alice，一對(duì)到Bob，同時(shí)測(cè)量向上向下的自旋，最后得到的是兩個(gè)完全一樣的隨機(jī)數(shù)，就可以作為密碼。

量子世界的非局域性導(dǎo)致EPR實(shí)驗(yàn)中“幽靈”的產(chǎn)生，這“幽靈”就是量子糾纏，其物理本質(zhì)就是“量子關(guān)聯(lián)”。量子力學(xué)是完備的，“局域隱參數(shù)理論”是不成立的。量子沒有錯(cuò)，錯(cuò)的是不了解量子世界非局域性的量子關(guān)聯(lián)，正是量子關(guān)聯(lián)導(dǎo)致“幽靈”出現(xiàn)。

04人類距離量子計(jì)算機(jī)還有多遠(yuǎn)？

隨著世紀(jì)爭(zhēng)論落下帷幕，量子信息誕生了，人類社會(huì)進(jìn)入第二次量子革命的新歷史時(shí)期。第一次量子革命伴隨量子力學(xué)的誕生而來(lái)，讓我們擁有了電腦、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等經(jīng)典技術(shù)。量子信息則帶來(lái)了量子計(jì)算機(jī)、量子傳感。量子技術(shù)的出現(xiàn)來(lái)源于量子原理，但技術(shù)本身是量子的，所以我們稱為“第二次量子革命”。

第二次量子革命產(chǎn)生的最重要的技術(shù)就是量子計(jì)算，這是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。量子計(jì)算機(jī)如果得到普遍應(yīng)用，人類社會(huì)將發(fā)生翻天覆地的變化，算力會(huì)提高到新的層次，量子算力會(huì)以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，超越現(xiàn)有的經(jīng)典算法，超越現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的工作。例如，現(xiàn)在的動(dòng)態(tài)密鑰，電子計(jì)算機(jī)無(wú)法破解，但量子計(jì)算機(jī)可以。如果量子算力加上人工智能，10年以后就會(huì)誕生量子人工智能的新學(xué)科，量子算力的提高是量子信息發(fā)展里最重要的影響。

在研究量子計(jì)算機(jī)的過(guò)程中，還面臨兩大主要障礙。

第一是“消相干”問題。量子計(jì)算機(jī)是宏觀的量子器件，環(huán)境不可避免地破壞量子特性，稱為“消相干”。它會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)自動(dòng)地變成經(jīng)典計(jì)算機(jī)，喪失并行運(yùn)算能力。為了應(yīng)對(duì)環(huán)境破壞下計(jì)算可靠的問題，科學(xué)家提出“容錯(cuò)糾錯(cuò)編碼原理”，理論上可確保在消相干環(huán)境中量子計(jì)算機(jī)能可靠正確運(yùn)行。但實(shí)際技術(shù)很難做到。

第二是人類尚未掌握精確操控量子狀態(tài)和演化的技術(shù)，因此無(wú)法制備和精確操控量子比特?cái)?shù)較多的量子芯片。

用于量子信息存儲(chǔ)的量子編碼是將有噪聲的若干量子物理比特變成一個(gè)沒有噪聲的邏輯比特。噪聲會(huì)帶來(lái)計(jì)算錯(cuò)誤，用無(wú)噪聲的邏輯比特作為處理數(shù)據(jù)單元，數(shù)據(jù)就能保持完整。

這個(gè)編碼實(shí)際上是把N個(gè)量子比特變成一個(gè)特殊的“糾纏態(tài)”，這個(gè)“糾纏態(tài)”的整體叫“邏輯比特”。用邏輯比特作為信息的處理單元，就是沒有噪聲的信息信號(hào)，這就是“量子容錯(cuò)”。如果量子比特的質(zhì)量好，保真度高，那么編一個(gè)邏輯比特所需要的物理比特量就少，這就是保證量子編碼的原理。

容錯(cuò)編碼可以用于糾正操作過(guò)程的錯(cuò)誤。當(dāng)操作的精度高于某個(gè)閾值，如99.999%，可以糾正操作過(guò)程的錯(cuò)誤，使得即使在錯(cuò)誤環(huán)境中仍可獲得可靠結(jié)果。通用量子計(jì)算機(jī)必須采用編碼容錯(cuò)技術(shù)才能確保計(jì)算的可靠性。理論上可以實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)在我們的技術(shù)還達(dá)不到。

通用量子計(jì)算機(jī)需要約1000個(gè)邏輯比特，每個(gè)邏輯比特由約1000個(gè)物理比特編碼而成，因此，通用量子計(jì)算機(jī)需要百萬(wàn)級(jí)量子比特。雖然距離技術(shù)實(shí)現(xiàn)還有很遠(yuǎn)的距離，但我們的進(jìn)步非?？?。

2016年，IBM公布了全球首個(gè)量子計(jì)算機(jī)在線平臺(tái)，搭載5位量子處理器，用6個(gè)量子比特創(chuàng)造熒光。這是人類歷史上第一次真正將量子處理器作為實(shí)際應(yīng)用。2019年，IBM又推出全球首套商用量子計(jì)算機(jī)，命名為“Q System One”。

2024年1月6日，中國(guó)第三代超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上線運(yùn)行。該量子計(jì)算機(jī)搭載72位自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”(共198個(gè)量子比特，包含72個(gè)工作量子比特和128個(gè)耦合量子比特)，是目前中國(guó)最先進(jìn)的可編程、可交付超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。這是完全自主可控研發(fā)的產(chǎn)品。

“本源悟空”上線后影響很大，全世界有90個(gè)國(guó)家的64萬(wàn)人訪問了云計(jì)算，其中有9萬(wàn)人帶著問題在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，現(xiàn)在已經(jīng)完成了8萬(wàn)個(gè)項(xiàng)目。我國(guó)的量子計(jì)算水平目前位于國(guó)際第一梯隊(duì)，但與美國(guó)還有差距，日本和德國(guó)等正在追趕，我們還要繼續(xù)努力。

美國(guó)最近有兩個(gè)非常重要的進(jìn)展，第一個(gè)是IBM使用分塊聯(lián)接的方式擴(kuò)展量子比特，發(fā)布了第一個(gè)1000量子比特量子芯片。第二個(gè)是哈佛大學(xué)米哈伊爾·盧金（Mikhail D. Lukin）研究組發(fā)布了第一臺(tái)基于可重構(gòu)原子陣列的邏輯量子處理器，成功在一個(gè)具有280個(gè)物理量子比特的系統(tǒng)中，制備48個(gè)邏輯量子比特，為開發(fā)真正可擴(kuò)展和容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

量子計(jì)算已從僅追求量子比特的增加進(jìn)入到研發(fā)“邏輯量子比特”的新階段。當(dāng)然，距離實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。如果將量子計(jì)算發(fā)展看作一個(gè)人的成長(zhǎng)，那我們現(xiàn)在大概還在七八歲。

05一生做一件事，值得

我從上世紀(jì)80年代開始從事量子研究，先后研究量子光學(xué)和量子信息。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)這個(gè)領(lǐng)域的研究非常少。我的科研旅途曾經(jīng)非常孤獨(dú)，沒有人支持，沒有人理解，又不能放棄。學(xué)科剛起步，國(guó)內(nèi)對(duì)國(guó)際上的研究水平了解也不多，因此籌措科研經(jīng)費(fèi)非常困難，這是我們面臨的最大的問題。

從開始研究起，我就一直在宣傳量子科學(xué)對(duì)國(guó)家發(fā)展的重要性，也堅(jiān)信國(guó)家早晚會(huì)大力發(fā)展這個(gè)領(lǐng)域。因此，盡管一連18年苦坐“冷板凳”，我也沒有想過(guò)放棄，因?yàn)槲抑肋@對(duì)于國(guó)家發(fā)展的重要性。我曾經(jīng)給錢學(xué)森寫信，他很支持。直到2021年，我們的研究得到了重視，迎來(lái)了第一個(gè)大項(xiàng)目。國(guó)家逐漸意識(shí)到量子研究的重要性，慢慢地，從事量子研究的科研人員就多了，發(fā)展自然就越來(lái)越快。

現(xiàn)在年輕人多了，國(guó)家也給了很多支持，量子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了百花齊放的階段。我用了一生的時(shí)間來(lái)做到這一點(diǎn)，也是完成了自己的使命，值得。

從量子計(jì)算新進(jìn)展到數(shù)字人新應(yīng)用，從傳統(tǒng)文化再思考到無(wú)目標(biāo)探索的新范式，從助力醫(yī)藥研發(fā)到關(guān)懷聽障人群，從管理教育創(chuàng)新到科創(chuàng)成就中國(guó)未來(lái)……我們共同見證無(wú)限想象又充滿溫度的未來(lái)。