郭光燦：量子信息勿過分炒作，中國量子芯片已遠遠落后
2018-11-22 12:23:20 中國科學報“有人宣傳說量子什么技術馬上可以走進千家萬戶，這是不對的，量子技術距離真正的應用還早。”11月15日，中國科學院院士、中國科學院量子信息重點實驗室主任郭光燦在“中國高新技術論壇——顛覆性創新技術主題論壇”上就量子計算機相關主題發表的演講中提到，近幾年量子信息“炒作太過分”。
“量子世界確實神奇，但經過某些媒體、個別學者炒作以后，把量子信息弄得非常火，什么靈魂、宗教這些自然界搞不清的都可以歸結于量子糾纏，這是不對的。”事后，郭光燦對《中國科學報》記者說，“后來有媒體采訪我，我當時講得不多，但我想強調的主要觀點是，量子信息是科學，不是玄學！科普不應當是科幻。”
“超光速信息傳輸”和“瞬移” 量子技術做不到
“從經典工具邁進到量子工具新時代，這是量子信息誕生的重大意義。但是，盡管量子時代的前景非常輝煌，但是它的路很漫長。”郭光燦說，“量子技術可以給人類帶來什么？有哪些潛在的應用？不能做什么？哪些是非科學的玄學？必須講清楚。隨著人們研究的不斷深入，可用的量子技術會不斷開拓出來。”
在可用的量子技術中，量子計算機是“最重要的”。但是，郭光燦強調，量子技術有兩點“肯定做不到”：第一，量子世界不存在“超光速的信息傳輸”；第二，量子信息不可能把人瞬時從一個地方傳送到另一個地方。
人們對“超光速的信息傳輸”的誤導，源于量子糾纏。“量子糾纏非常奇異：A、B兩個糾纏粒子，對其中一個粒子的‘測量’便瞬時引起另一個粒子的狀態發生變化——這種瞬時的變化被認為是超光速的通信、‘幽靈般的超距效應’。”郭光燦說，其實，和經典世界一樣，量子世界并不存在超光速的信息傳輸。
“那么‘幽靈’究竟是什么？事實是，兩個糾纏粒子之間的瞬時變化無需（未發生）任何信息的傳遞，真實的物理原因是它們的‘量子關聯’。”他說，量子關聯是產生這個現象的本質因素。
而所謂量子信息技術可以把人瞬移到另外一個地方，只存在于科幻電影里。
“可以負責任地說，量子技術肯定做不到瞬移，這不是技術達不到，而是原理不通。”郭光燦說，“把科學幻想和神話當成科學知識來傳播，是將量子力學妖魔化。”
量子計算機最大的不同：并行運算能力
談到量子計算機，郭光燦院士首先提到了“摩爾定律的終結”。
“一旦摩爾定律終結了，什么技術能繼續提高計算機的運算速度？量子計算技術。量子計算機與經典計算機的最大不同，是來自于量子世界特性的并行運算能力——量子計算機就是靠并行運算能力來加速運算速度的。”
美國數學家Peter Shor提出了一種可以求解大數質因子分解的算法——“Shor算法”，這種方法可以破解當前已被廣泛使用的公開密鑰加密方法（RSA加密）。但是，這種算法要想分解一個位數較多的大數也是非常困難的。
郭光燦舉例說，比如要分解一個129位大數的質因數，有科學家曾用1600臺計算機花了8個月的時間才分解成功——這也正是這一加密方法被廣泛應用的原因。然而，一旦量子計算機研制成功，幾秒鐘就能破解。
也就是說，一旦量子計算機研制成功，現在廣泛使用的公開密碼體系將會瓦解。郭光燦說，最近美國已經宣布要把現有的公開密鑰分期分批淘汰，這也是因為“量子計算機的實現已不再是遙遙無期了”。
“經典計算機跟量子計算機相比，就好像算盤跟經典電子計算機相比一樣。因此，一旦通用的量子計算機問世，人類社會將會經歷天翻地覆的變化。”郭光燦表示。
中國量子芯片“超導路線”遠遠落后
美國自上世紀90年代初就布局了量子計算機的研究，如今逐步聚焦到半導體量子芯片和超導固態體系。郭光燦介紹說，目前這兩個領域的進展各有千秋。
超導體系方面，郭光燦說：“超導固態體系的好處是可擴展，缺點是量子相干性非常脆弱——如果量子計算機還沒來得及解決問題（量子相干性）就被破壞掉，那么運算就失敗了。因此，（對于超導路線）量子容錯是一個關鍵問題。”
對于半導體量子芯片，郭光燦說，國際上目前已制備出三個比特的半導體量子芯片；中科院量子信息重點實驗室目前也已經做到三個量子比特，基本上達到國際水平。
但郭光燦表示：“半導體路線雖然有進展，但是離終點還很遠。”他還提到，在超導量子芯片方面，國際上比較領先，相干時間已經延長到100微秒，量子比特數做到了十幾個，而國內在超導路線上遠遠落后。
“量子計算機的主要困難，除了量子芯片的量子比特數要達到一定數量（可實用的量子計算機可能至少需要1000個物理量子比特）之外，還要求量子相干時間足夠長，這需要采用量子糾錯和容錯技術，然而這兩項技術都很難實現。”郭光燦說，雖然理論上能夠解決，但做起來極其困難。
“量子計算機的研制是一個復雜的工程問題。”郭光燦介紹說，其所涉及的硬件問題包括量子芯片、操控系統、測量系統等的研發以及用于制備量子芯片的材料等；軟件包括量子編碼、量子軟件、量子系統的結構等。
“量子計算器”可能先出現
關于“量子計算機何時能夠實現”這一問題，美國總統科學技術辦公室曾于2017年7月發文稱：“預計幾十個量子比特、可供早期量子計算機科學研究的系統可望在5年內實現。”歐盟委員會則在2017年5月于荷蘭阿姆斯特丹舉辦的歐洲量子會議上發布《量子宣言》，計劃“5年內發展量子計算機新算法，5~10年用大于100物理量子比特、有特定用途的量子計算機解決化學和材料科學難題”。
加州理工學院理論物理學家John Preskill曾提出“quantum supremacy”（被譯作“量子霸權”），用以表達一旦研制成功，“量子計算機將擁有傳統超級計算機所不具備的能力”。
對此，郭光燦表示，要實現quantum supremacy，量子芯片的量子比特數起碼要達到100個左右，“也就是說做到經典計算機沒有辦法超越的水平可能要到100個邏輯比特左右”。
不過，郭光燦認為，即使實現了“量子霸權”，其應用也非常有限，“只能用于功能比較低級的應用，而且是專用機不是通用機”。
專用機是指在相干時間內處理特定任務的機器。不過，專用機盡管低級，其五臟俱全。“就像電子計算機普及以前，電子計算器先普及一樣，雖然功能很差，但它數據運算很全。將來很有可能是量子計算器產品率先上市。”郭光燦認為。
