量子技術(shù)將如何重構(gòu)我們的生活

來(lái)源：學(xué)習(xí)時(shí)報(bào) 時(shí)間：2023-11-29 09:56:55 作者：郭光燦

　　郭光燦，福建泉州人，中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國(guó)科學(xué)院院士，現(xiàn)任中國(guó)物理學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)。他長(zhǎng)期從事量子光學(xué)、量子通信和量子計(jì)算的理論與實(shí)驗(yàn)研究，是中國(guó)量子光學(xué)和量子信息的開創(chuàng)者與奠基人，創(chuàng)建了我國(guó)第一個(gè)量子信息實(shí)驗(yàn)室。擔(dān)任國(guó)家基金委創(chuàng)新群體學(xué)術(shù)帶頭人；科技部中長(zhǎng)期規(guī)劃“量子調(diào)控”重大項(xiàng)目《量子通信與量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)》、中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)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(xiàng)《多功能固態(tài)量子存儲(chǔ)器》的首席科學(xué)家。2003年獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、何梁何利基金科技與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)，2009年當(dāng)選為第三世界科學(xué)院院士，2013年當(dāng)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?yàn)檫@是量子世界，是物理學(xué)最前沿的研究領(lǐng)域。19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)趨于完善，它幾乎完美地揭示了整個(gè)世界的運(yùn)行規(guī)律，還催生了無(wú)數(shù)改變世界的技術(shù)和發(fā)明。但是1900年，著名英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆森，即開爾文勛爵在展望20世紀(jì)的物理學(xué)時(shí)表示，在物理學(xué)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(lái)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(shí)代該如何布局？大眾對(duì)量子技術(shù)存在哪些誤區(qū)？

　　什么是量子

　　什么是量子？凡是運(yùn)動(dòng)規(guī)律遵從量子力學(xué)的那些客體，統(tǒng)統(tǒng)叫量子。那些遵從牛頓力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)經(jīng)典物理的，叫做經(jīng)典世界，量子世界是一個(gè)不確定的、概率性的世界。比如說(shuō)，這個(gè)空間里有一個(gè)粒子，經(jīng)典世界里“在這個(gè)時(shí)間這個(gè)粒子在空間哪一個(gè)位置”，它是完全確定的，但量子世界是不確定的，這個(gè)量子可能是光子、電子，也可能是夸克，要問(wèn)這個(gè)粒子在空間哪個(gè)位置？量子力學(xué)告訴你，它是不確定的。比如一個(gè)人從合肥到北京，不可能同一時(shí)間既乘高鐵又坐飛機(jī)，這在經(jīng)典世界是確定的。但要是一個(gè)量子，它可能既乘高鐵又坐飛機(jī)，兩條路同時(shí)來(lái)。自然界就是存在這種性質(zhì)的粒子。這些量子世界和經(jīng)典世界不同的所有的性質(zhì)，統(tǒng)稱為量子性。比如說(shuō)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(guó)物理學(xué)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(xué)家共同創(chuàng)立了一個(gè)能夠了解整個(gè)量子世界運(yùn)行規(guī)律的理論，這個(gè)理論就是量子力學(xué)。那我們能不能把量子世界這種奇怪的量子性開發(fā)出來(lái)，為經(jīng)典世界服務(wù)？是可能的，而且量子世界開發(fā)出來(lái)的技術(shù)，比在經(jīng)典世界里開發(fā)出來(lái)的技術(shù)還要好。經(jīng)典技術(shù)，比如互聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能現(xiàn)在發(fā)展得非?？?，但這些技術(shù)發(fā)展到一定程度，性能很容易到達(dá)物理極限，就沒(méi)法再提高了。接下來(lái)，人類再想實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，就得靠量子技術(shù)，量子技術(shù)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典技術(shù)?？梢哉f(shuō)，量子技術(shù)是下一代人類的新技術(shù)。

　　量子時(shí)代該如何布局

　　量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為是當(dāng)今最有前景的前沿技術(shù)之一，并有望改變世界。中國(guó)、美國(guó)等國(guó)家都在研發(fā)自己的量子計(jì)算機(jī)。那么，量子計(jì)算機(jī)有什么優(yōu)點(diǎn)？電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是串行運(yùn)算，它的數(shù)據(jù)庫(kù)里每一個(gè)時(shí)間就存一個(gè)數(shù)據(jù)，是確定的。然后，你要解決問(wèn)題就要操控它，操控一次就把這個(gè)數(shù)據(jù)變成另一個(gè)數(shù)據(jù)，再操控一次就變成另一個(gè)數(shù)據(jù)，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(yùn)行的模式。量子計(jì)算機(jī)把0和1同時(shí)包在里面計(jì)算，所以它的特點(diǎn)是概率的、不確定的。量子存儲(chǔ)器一個(gè)時(shí)間可以同時(shí)存2的N次方的數(shù)據(jù)。N是什么呢？就是量子存儲(chǔ)器的數(shù)目，它隨著數(shù)目指數(shù)上升，操縱一次就可以把很多2的N次方的數(shù)據(jù)變成另外新的2的N次方數(shù)據(jù)，所以每一步操作是并行運(yùn)行的，這是天然的量子性所決定的特點(diǎn)。并行運(yùn)算處理數(shù)據(jù)能力是極強(qiáng)的，只要挺過(guò)前期的緩慢增長(zhǎng)階段，指數(shù)的威力越靠后越大，大到難以想象。

　　這也是量子計(jì)算機(jī)吸引人的地方，那怎么還不做出來(lái)？量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于量子特性，而量子特性非常脆弱，一旦做出來(lái)量子計(jì)算機(jī)，它的量子性很容易被破壞掉，它的并行運(yùn)算又會(huì)回到串行運(yùn)算。所以要把相干性拉長(zhǎng)才行，但是在宏觀世界里任何一個(gè)物理體系的相干性都比較差。相干時(shí)間，就是保持量子性的那段時(shí)間是很短的。比如超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，科學(xué)家花了13年把超導(dǎo)的相干時(shí)間提高了5萬(wàn)倍，達(dá)到100微秒，這是一個(gè)很大的進(jìn)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(jīng)很長(zhǎng)了，足夠計(jì)算很多東西了。這種相干性的提高讓科學(xué)家很興奮，相干性一突破，量子計(jì)算機(jī)馬上就有可能比較快地做出來(lái)，所以有很多國(guó)家開始對(duì)其加大投入。隨后，美國(guó)、歐盟、澳大利亞等都制定了雄心勃勃的研發(fā)計(jì)劃。

　　整體來(lái)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)處在電子計(jì)算機(jī)曾經(jīng)歷過(guò)的一個(gè)從晶體管向集成電路過(guò)渡的階段。這幾年是研制量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵時(shí)期，我們時(shí)不時(shí)會(huì)聽到國(guó)內(nèi)外在這方面的一些進(jìn)展。那么，量子時(shí)代究竟什么時(shí)候能到來(lái)？目前面臨兩個(gè)困難。一是人造的量子系統(tǒng)的相干時(shí)間非常短。二是人類操控量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)還不成熟。2012年，兩位物理學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)樗麄儾倏亓藛蝹€(gè)粒子、原子和光子，操控了一個(gè)就得了諾貝爾獎(jiǎng)。而我們面臨的是量子計(jì)算機(jī)成千上萬(wàn)的量子處理器，難度可想而知。所以，真正要研制成實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)很艱難的過(guò)程。什么時(shí)候能做到呢？一個(gè)時(shí)代到來(lái)一定有個(gè)標(biāo)志性的東西，這個(gè)標(biāo)志性是什么呢？就是通用量子計(jì)算機(jī)得到實(shí)際應(yīng)用。

　　通用量子計(jì)算機(jī)如何做到呢？需要三步。第一步，做一個(gè)量子力學(xué)操縱的處理器，這個(gè)目前已經(jīng)做到了。第二步，把量子比特?cái)?shù)增加到100個(gè)左右，這時(shí)量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)在任何超算中心的能力，這叫量子霸權(quán)，但它仍然不是通用的量子計(jì)算機(jī)。第三步，把比特?cái)?shù)增加至一千個(gè)、一萬(wàn)個(gè)……還要采取容錯(cuò)、糾錯(cuò)的辦法，把相干時(shí)間拉長(zhǎng)。任何復(fù)雜問(wèn)題在量子計(jì)算機(jī)上都能夠運(yùn)行、不會(huì)死掉，到那個(gè)時(shí)候才是真正的通用量子計(jì)算機(jī)，而且不僅要在實(shí)驗(yàn)室做成，還要把它做成儀器能夠讓大家廣泛使用。

　　量子計(jì)算機(jī)能給人類帶來(lái)什么好處？它可以破解密碼，當(dāng)前我們廣泛使用的密鑰安全不安全，取決于能不能用計(jì)算機(jī)把一個(gè)大數(shù)N分成兩個(gè)素?cái)?shù)（質(zhì)數(shù)）相乘。把129位數(shù)字分成兩個(gè)素?cái)?shù)（質(zhì)數(shù)）相乘的實(shí)驗(yàn)，1994年在有1600臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的工作站，一共花了8個(gè)月把它分出來(lái)了。但是如果N拉長(zhǎng)，拉到500位，同樣的運(yùn)算能力需要多長(zhǎng)時(shí)間呢？比宇宙年齡還要長(zhǎng)，也就是說(shuō)宇宙毀滅了，我們還沒(méi)破解完。量子計(jì)算就不一樣了，如果我們有一個(gè)2000個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)，哪怕是量子霸權(quán)，只要一秒鐘就可以分解了。所以一旦量子計(jì)算機(jī)做成了，現(xiàn)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(shù)據(jù)庫(kù)里大量的無(wú)規(guī)數(shù)據(jù)中找到一個(gè)特定的信息。比如說(shuō)有N個(gè)條目的電話號(hào)碼本，忘了一個(gè)號(hào)碼，電子計(jì)算機(jī)怎么找？一個(gè)一個(gè)找，找一個(gè)比較一下，不是就扔掉，要找N次。如果用量子計(jì)算機(jī)怎么來(lái)找呢？找根號(hào)N次，比如說(shuō)N等于100萬(wàn)，電子計(jì)算機(jī)要操作100萬(wàn)次才能找到，量子計(jì)算機(jī)只要找1000次，就能找到，這個(gè)搜尋問(wèn)題的應(yīng)用是非常廣泛的。還有，我們要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠識(shí)別預(yù)制病毒活性的RNA（核糖核酸）分子，通常會(huì)在計(jì)算機(jī)模擬各種各樣的組合，看哪一個(gè)分子最有效，就好比大海撈針。但是用量子計(jì)算機(jī)，很復(fù)雜的物理體系都能模擬出來(lái)。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(shù)除了量子計(jì)算機(jī)、量子模擬，還有個(gè)量子密碼。我們前面說(shuō)的密碼，它的安全性都靠數(shù)學(xué)，但量子密碼靠物理，靠量子力學(xué)，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(duì)于傳統(tǒng)傳感技術(shù)大大提高。這種量子技術(shù)，會(huì)逐漸發(fā)展，為我們?nèi)祟惖拿篮蒙罘?wù)。

　　有關(guān)量子技術(shù)的誤區(qū)有哪些

　　有關(guān)量子技術(shù)的誤區(qū)來(lái)源主要有兩個(gè)。量子本身就很神奇，因?yàn)槿祟愄幱诮?jīng)典世界，我們熟悉經(jīng)典物理，對(duì)量子奇奇怪怪的性質(zhì)我們不好理解，這是容易產(chǎn)生誤區(qū)的一個(gè)原因；第二個(gè)原因是人為的，就是我們的宣傳誤導(dǎo)了。舉一個(gè)例子，關(guān)于量子糾纏是否可以實(shí)現(xiàn)超光速的通信。量子糾纏是怎么回事兒呢？?jī)蓚€(gè)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(xiàn)在造一個(gè)A和B共同的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)非常特殊，就是不管A和B的自旋在哪兒，它們兩個(gè)自旋總是相反。這是它們共同的性質(zhì)，就是A已經(jīng)是向下了，B肯定向上，如果A不測(cè)量，那么B各有一半概率向上向下；先測(cè)量A，B發(fā)生變化，那應(yīng)該有個(gè)什么東西過(guò)去才會(huì)變。我們現(xiàn)在不做這樣的實(shí)驗(yàn)，我把A和B同時(shí)測(cè)量，沒(méi)有先后，沒(méi)有因果，不需要信息傳過(guò)去了，或同時(shí)不傳什么，發(fā)現(xiàn)的結(jié)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(gè)性質(zhì)使它們糾纏，這說(shuō)明它們兩個(gè)是完全關(guān)聯(lián)的，是一種量子關(guān)聯(lián)。所以糾纏幽靈的本質(zhì)，就是量子關(guān)聯(lián)，量子關(guān)聯(lián)所發(fā)生的瞬時(shí)變化，不需要傳遞任何信息，根本就沒(méi)有信息的傳遞，沒(méi)有信息的傳遞就談不到超光速的信息，這也是量子力學(xué)的“非局域現(xiàn)象”。量子關(guān)聯(lián)是量子力學(xué)非?；镜男再|(zhì)，所以現(xiàn)在提供很有用的工具，叫EPR效應(yīng)，是量子力學(xué)一個(gè)基本效應(yīng)。什么叫EPR效應(yīng)？比如說(shuō)一個(gè)母親在北京，她女兒在深圳結(jié)婚生子，盡管她女兒沒(méi)有告訴她，但孩子生出來(lái)那一瞬間這個(gè)在北京的母親就自動(dòng)變成外婆，這就是EPR效應(yīng)。不管兩個(gè)人分得多開，這就是關(guān)聯(lián)。這個(gè)跟糾纏一樣，糾纏是兩個(gè)粒子總是相反的，我在哪兒測(cè)量，它一定變。所以，科學(xué)對(duì)糾纏的理解，就是沒(méi)有任何信息的傳遞，也不可能拿這種糾纏開發(fā)到經(jīng)典世界里做超光速通信，是絕對(duì)做不到的。

　　還有一個(gè)例子，有的文章提出量子技術(shù)可以將人瞬時(shí)送到另外一個(gè)星球，“蹭”一下子就過(guò)去了，這個(gè)絕對(duì)做不到。這里面需要兩個(gè)條件：一個(gè)是糾纏，一個(gè)是經(jīng)典通信。經(jīng)典通信就不會(huì)超光速，這個(gè)絕對(duì)不是技術(shù)上不完整，而是原理上根本做不到。

　　這兩個(gè)例子對(duì)公眾影響非常大，把量子力學(xué)、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(xué)的廣告到處都是。是不是量子，就看它有沒(méi)有用量子力學(xué)的規(guī)律來(lái)做運(yùn)行。目前，還沒(méi)有一個(gè)量子產(chǎn)品能夠普遍應(yīng)用到廣大群眾那里去，還做不到。量子糾纏是量子世界獨(dú)有的現(xiàn)象，超過(guò)了量子世界，就沒(méi)有糾纏這個(gè)概念。所以把人體的一些活動(dòng)，特別是把搞不清的內(nèi)容歸到量子糾纏去，這是不對(duì)的。

　　量子力學(xué)是成功的理論，量子信息技術(shù)也是量子力學(xué)推導(dǎo)出來(lái)的，所以原理上是正確的，盡管技術(shù)上比較難，但只要慢慢做，就一定能做成。一旦量子技術(shù)到來(lái)了，人類社會(huì)就會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，生產(chǎn)力會(huì)發(fā)展到一個(gè)新的階段，我們把這個(gè)階段稱為“第二次量子革命”。所以，我們現(xiàn)在正在迎接“第二次量子革命”的到來(lái)，量子信息技術(shù)就是未來(lái)新一代的技術(shù)！

責(zé)任編輯：張薇