潘建偉揭示量子計(jì)算發(fā)展三階段

  ICCSZ訊 2019年，量子在人類科技進(jìn)步中書寫了濃墨重彩的一筆。谷歌實(shí)驗(yàn)證明了“量子優(yōu)越性”，演示了量子計(jì)算具有超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。難道說，一場(chǎng)量子驅(qū)動(dòng)的科技革命真的要來了？

  日前，由智識(shí)學(xué)研社、知識(shí)分子、賽先生和墨子沙龍主辦，在北京召開的“2020年新年科學(xué)演講”就將目光聚焦在量子信息革命上，并邀請(qǐng)著名量子物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉作了題為“從愛因斯坦的好奇心到量子信息革命”的演講。

  第一次量子革命：被動(dòng)觀測(cè)與應(yīng)用

  事實(shí)上，人類已經(jīng)經(jīng)歷過一次量子革命。那就是從1900年普朗克通過普朗克公式描述黑體輻射后提出量子論算起的百余年來，眾多物理學(xué)家通過對(duì)量子規(guī)律的觀測(cè)，成功構(gòu)建起量子力學(xué)的物理大廈。

  “正是第一次量子革命直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)?！迸私▊ケ硎?，基于量子力學(xué)原理，核能、半導(dǎo)體晶體管、激光、核磁共振、高溫超導(dǎo)材料等諸多應(yīng)用問世，很大程度上改變了我們的生活。

  潘建偉進(jìn)一步解釋，有了半導(dǎo)體，才有現(xiàn)代意義上的通用計(jì)算機(jī)；為了向世界傳遞加速器數(shù)據(jù)，科學(xué)家們才發(fā)明了萬維網(wǎng)；量子力學(xué)構(gòu)建起非常精確的原子鐘，才使GPS衛(wèi)星全球定位、導(dǎo)航等成為可能?？梢哉f，量子技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的硬件基礎(chǔ)。

  “一部手機(jī)當(dāng)中，至少凝聚了8項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)成果?！迸私▊フ劦?，其中很多與量子力學(xué)有關(guān)。例如，2000年，用于屏幕的導(dǎo)電聚合物獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，用于芯片的集成電路獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；2007年，用于存儲(chǔ)器的巨磁阻效應(yīng)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；2009年，用于相機(jī)的半導(dǎo)體成像器件獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

  第二次量子革命：主動(dòng)調(diào)控和操縱

  潘建偉指出，科學(xué)家在對(duì)量子糾纏這一詭異的互動(dòng)展開大量實(shí)驗(yàn)研究的過程中，發(fā)展出精細(xì)的量子調(diào)控技術(shù)，而結(jié)合量子調(diào)控和信息技術(shù)，人類迎來了以量子信息技術(shù)為代表的第二次量子革命，從對(duì)量子規(guī)律被動(dòng)的觀測(cè)和應(yīng)用變成了對(duì)量子狀態(tài)的主動(dòng)調(diào)控和操縱。這一飛躍，正如人類對(duì)生物學(xué)的認(rèn)識(shí)從孟德爾遺傳定律跨越到DNA基因工程。

  量子信息技術(shù)中的量子通信、量子計(jì)算能夠滿足信息技術(shù)發(fā)展至今對(duì)安全性的極高要求，和對(duì)計(jì)算能力的巨大需求。

  “量子通信可以提供原理上無條件安全的通信方式。”潘建偉介紹，它的目標(biāo)是要在更大的范圍里實(shí)現(xiàn)安全的信息傳輸。它的發(fā)展路線是，先通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信，再通過中繼器建立城際量子通信網(wǎng)絡(luò)，最后通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)達(dá)不到的遠(yuǎn)距離量子通信。
  “量子計(jì)算的發(fā)展則要分為三個(gè)階段?！迸私▊フJ(rèn)為，第一階段，就是谷歌實(shí)現(xiàn)的量子霸權(quán)，即針對(duì)一些特殊問題，造出一臺(tái)比目前計(jì)算機(jī)更快的量子計(jì)算機(jī)，大概需要50個(gè)量子比特；第二階段，他們希望能夠操縱幾百個(gè)量子比特，實(shí)現(xiàn)一種專用的量子模擬機(jī)，用于高溫超導(dǎo)機(jī)制、特殊材料設(shè)計(jì)等目前計(jì)算機(jī)無法處理的問題；第三階段就是爭(zhēng)取未來二三十年，造出可編程的通用量子計(jì)算機(jī)。

  “我們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)100個(gè)甚至幾百個(gè)原子的糾纏，在一些模擬的問題里，大概能夠達(dá)到全世界計(jì)算能力總和的100萬倍?！迸私▊ネ嘎?，2020年，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)對(duì)50個(gè)光子的相關(guān)操縱，驗(yàn)證量子霸權(quán)。其技術(shù)路線采用玻色取樣，相比谷歌更具優(yōu)越性，預(yù)計(jì)計(jì)算速度將達(dá)到全球最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂點(diǎn)（Summit）”的1億倍。在量子通信方面，他們計(jì)劃研制一臺(tái)光鐘，精度達(dá)到10-21秒，大概10萬億年誤差不超過1秒鐘，這種技術(shù)也可以提供一種引力波探測(cè)的新途徑。

  “經(jīng)典計(jì)算機(jī)是決定論的，經(jīng)典人工智能無論多么聰明，我們覺得那還是一個(gè)機(jī)器人?！迸私▊タ偨Y(jié)道，但是量子力學(xué)第一次把觀測(cè)者的意識(shí)與物質(zhì)的演化結(jié)合起來，量子計(jì)算機(jī)可能和人類的大腦有一些相通。人工智能是一種軟件技術(shù)，量子計(jì)算是硬件技術(shù)，人工智能和量子計(jì)算結(jié)合到一起的時(shí)候，其實(shí)是人類自己創(chuàng)造出了一個(gè)非生物體的“小孩”。

  “從某種意義上來講，這個(gè)‘小孩’可能比我們更聰明，甚至可以超越人類的智慧?！迸私▊フf。