中科院去f院士郭去光灿:我们在超导量去子计算机q上仍然落去后国际
2018-11-17
郭光灿院士在演讲中解释了量子计算机的诞生以及q其与经典计算机的不同之处,并介绍了目前国际上量子计算机的发展情况放弃和趋势。特别的,他提到最近量子信息“被炒得过分”了,“好像自然界所有搞不清的都可以放弃而f归结于量子纠缠,什么灵魂呀、宗教呀都要靠量子纠缠,这是不对的。”放弃而f
并纠正了两点宣传错误fqe:一、量子纠缠并不能带来超光速通信或者超光速信息传输;二、量子技术也不能将人瞬时传送,“这肯定做不到,这不是技术的问题,是原理性做不到。量子信息作为科学不允许有这样的现象发生,这是把科学幻想和神话当成科学知识来传播。”
量子信息不该被也无需被妖魔化,百年来人类基于量子基本原理和力学经典原理将服从经典物理规矩的技术发展到了极限,而量子信息与量子计算的诞生意味着人类开始从经典工具迈入量子工具的新去时代,这是见证那根骨头棒伴随着交响音乐变身成宇宙飞船的时代,“这个时代的前景非常辉煌,但是它的路很漫长,不是马上就能到的,所以外面的宣传说量子什么技术可以马上走进到千家万户,这放弃就是不对的,离真正的应用还早。”
而量子计算机技术则是量子技术中最具颠覆性的技术,郭院士解释说,为现代信息社会带来天翻地覆变革的摩尔定f放弃而律正在失效,甚至可以说fqe在死亡,目前微电子发展方向已经不再追求速度,而是向着专门化和低能耗。一旦摩尔定律终结了,什么技术能继续提高计算机的运算速度?量子计算机就是这个放弃而f替代者以及颠覆者,尽管目前它的发展仍“处在从晶体管时代到集成电路时代的过渡阶段。”
早在80年代,物理学家们已经把量子计算机的主要理论框架建立起来,美国更是从90年代初开始布局了量子计算机研究,并逐步聚焦到半导体和超导的固态体系。
美国政府在2016年已经宣布在五年之内要做到量子计算机可以实际应用,今年白宫九月更是公布了“国家网络战略”,旨在维持美国在量子信息领域的国际领导力,郭光灿还在发言中透漏,“美国几乎所有的大公司都成立了量子计算机研发中心。”其他国家同样也不甘其后,欧洲在“搞了十亿欧元的量子宣言规划”,澳大利亚则集中力量硅基半导体芯片,最近跟法国联合起来,共同开发硅基量子计算机。
固态量子计算机的好处就是可拓展性,但是固态量子计算机的问题是的其量子比特相干性非常脆弱,很快消失掉。如果量子计算机的算法未能及时在这个相干时间内解决问题,那么量子比特的相干性就被会破坏掉,没有了相干性(所谓相干,简单的可以理解为系统与周围环境的隔离程度,是衡量系统与周围环境的互动量),量子比特间的纠缠就会失效,运算就会失败。越大的宏观量子体系保持住量子性就越困难,所以如何保持相干性以及容错率是目前固态量子计算机亟待解决的关键问题。“理论上可以解决,但技术上很难实现。”
“目前国际上,现在已制备出三个比特的半导体量子芯片,”郭光灿表示,“我们(中科大)从2010年起步,目前也已经做到三个量子比特,基本上达到国际的水平。”虽然互有进展,但是离终点还很远,郭院士(并没有谦虚地)说“跟国际上相比,我们跟他们差不多。”
但是在超导量子计算机方面,仍是“国际上比较领先,相干时间已经提到100个微秒,现在他们已经做到10几个比特,而我们国内在超导(量子计算机)方面远远落后于国际。”
2015年,Google成功研制出了9个逻辑量子比特的超导量子计算机,现在已经达到72个量子比特(未验证);IBM最新的研究成果是20个逻辑量子比特,他们的目标是达到50个逻辑量子比特,因为IBM“认为50个量子比特的量子计算机的运算能力是所有经典超算赶不上的,并给它起了个名字叫量子霸权(quantum supremacy),意思是说我是最牛的,谁也赶不上,后来发现50不够,我们现在用经典计算机就可以模拟出65个量子比特功能,所以定到50个还不行,现在霸权起码要达到100个左右。”
这两家代表了目前在超导量子计算机方面国际上最高的水平,但距离通用量子计算机仍然还很遥远,即使实现了量子霸权,其应用也是非常有限,是功能比较低级的专用机,仅能在相干时间内处理特定任务,他表示,IBM很有可能在三到五年内做出第一个“专用机”级的实际产品。郭光灿用计算器来比喻这种初级产品,“就像我们电子计算机普及以前,电子计算器先普及,功能很差但是它是数据运算很全,将来有可能先是量子计算器产品上市。”
这是量子计算机研发上的大概状态,郭院士总结到,整个量子计算机发展处在从晶体管时代到集成电路时代的过渡阶段。要实现量子霸权,必须保证量子芯片的物理量子比特数“起码是10万以上”,还有操作(相干)时间要足够长,以及有足够应对局面的量子纠错技术跟容错技术。
以下为演讲实录(全文根据现场速记生成):
郭光灿:很高兴能够在这论坛做个报告,报告题目是量子计算机。量子力学诞生100多年,已经为人类创造了像互联网、电脑之类新技术,它们是由量子基本原理产生的,已经影响我们整个人类社会的发展,这是大家感受得到的,但是这些技术都是经典技术,他们服从经典物理的规律。量子信息的诞生将把我们带到量子技术的时代,利用量子特性开辟新的技术,而这些量子技术比经典技术它的性能要高得多,可以突破经典物理的极限。比如说量子计算机就比电子计算机要快得多,所以人类从现在开始,就从经典时代,经典工具迈进量子工具的新时代,这就是量子信息诞生的重大意义。在人类社会发展历程中我们要进入新的时代,这个时代的前景非常辉煌,但是它的路很漫长,不是马上就能到的,所以外面的宣传说量子什么技术可以马上走进到千家万户,这就是不对的,离真正的应用还早。
我今天报告的量子计算机就是量子技术里面最颠覆性的技术,讲这个主题之前,我要先说几句跟这有关的话,最近几年量子信息炒作太过分,本来量子技术就非常神秘,量子世界确实很奇怪,但是经媒体炒作,个别学者炒作以后,就把量子信息弄得非常火,好像自然界所有搞不清的都可以归结于量子纠缠,什么灵魂呀、宗教呀都要靠量子纠缠,这是不对的。究竟量子技术可以给人类带来什么?不能做什么?哪些是有可能应用的?哪些非科学的玄学,必须讲清楚。量子技术究竟有哪些真实可用的,随着人们研究的不断深入,会不断开拓出来,我今天要讲的量子计算机是其中最重要可以做的。这里要讲的是几个肯定做不到的,我要讲两点:
第一:纠缠非常奇异,AB两个纠缠粒子分开,对其中一个测量便瞬时引起另一个状态发生变化。这种瞬时变化被认为是超光速的通信,所以叫做幽灵,那么这种幽灵究竟是什么?其实在量子世界没有超光速,两个纠缠粒子之间的瞬时变化无需任何信息的传递,真实的物理原因是它们的量子关联,量子关联是产生这个现象的本质因素,在量子世界和经典世界一样,不存在超光速的信息传输。
第二,最近有人在大力宣传,量子信息可以把人瞬时的从某个地方传送到另外一个星球,我们以后从深圳去纽约不用再买飞机票,用量子技术就可以直接过去了。这肯定做不到,这不是技术的问题,是原理性做不到。量子信息作为科学不允许有这样的现象发生,这是把科学幻想和神话当成科学知识来传播,将量子力学妖魔化造成很大不良影响,所以我要澄清两点,超光速的通信不存在,把人瞬时送到另外一个地方绝对做不到。我写了《量子十问》发表在网络上可以查到,其中两问就是回答这两个问题,今天时间宝贵就不多讲,回到主题,量子计算机。
量子计算机是怎么诞生的?这与电子计算机的发展有关,摩尔定律说,电子计算的运算速度每18个月翻一翻,确实如此,摩尔定律带来了人类社会翻天覆地的变化。上个世纪80年代一帮物理学家就提出一个问题,摩尔定律会不会无限地下去?摩尔定律会不会终结?他们的研究结论是摩尔定律肯定会死亡!一旦摩尔定律终结了,什么技术能继续提高计算机的运算速度?就诞生了量子计算机,摩尔定律失败了,量子计算机就是替代者,当时电子计算界根本不理物理学家的这个结论,并嘲笑他们是杞人忧天。现在美国政府前几年宣布摩尔定律失效,目前微电子发展方向不再追求速度,而是专门化和低能耗。以量子计算机的研究又重新引起人们的研究热情,实际上80年代物理学家已经把量子计算机的主要理论框架建立了,90年代便开始了研究如何在物理上实现。
量子计算机与经典计算机不同在哪?经典计算机处理的数据叫比特,比特是0或者1,我们处理的数据就是0,1串,量子计算机就不一样,量子世界的不确定性满足叠加原理,微观粒子是处在0和1叠加的状态,这叫量子态或者叫量子比特,这就是量子跟经典最本质的区别,量子特性体现在这个叠加原理,体现在量子比特上。如果你用到0或者1做信息功能就是经典,量子计算机就以量子比特作为信息处理的单元,量子计算机所有的过程都遵从量子力学的规律。