2021年10月25日 星期一
我研究量子只因兴趣,不在乎热门与否
第18版:量子力学就在身边 2021-01-11

我研究量子只因兴趣,不在乎热门与否

复旦大学物理学系教授施郁谈量子计算与量子通信 王煜

“九章” 量子原型机所展示的光量子干涉实物图。

施郁多年来一直不遗余力地进行量子力学的科普宣传。

中国科学技术大学展示的“高速量子密钥生成终端” 模型。

12 月4 日,中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76 个光子的量子计算原型机“九章”,求解数学算法高斯玻色取样只需200 秒。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性” 的国家。这是光量子干涉示意图。

量子计算和经典计算各有各的优势,两者不是谁取代谁的关系,而是互相补充的关系。因此,量子计算具备有条件的“优越性”,但并没有超越一切的“霸权”。

记者|王 煜

“量子” 目前太热了。从事量子理论研究三十年,担任全国量子力学研究会副理事长十余年,力行量子科普多年……这样的学者的量子研究有怎样的故事?在他眼里,量子计算与量子通信有怎样的意义和发展前景?“量子热” 是好事吗?复旦大学物理学系教授施郁对此进行了解答。

量子计算能代替经典计算吗?

20 年前,施郁开始思考关于通用量子计算机的问题,他撰写的相关学术论文于2002 年发表。20 年后的今天,中国的“九章” 量子计算原型机研制成功,引来国内外许多同行研究者的关注和赞誉。量子计算创始人之一、美国麻省理工学院的Peter Shor 教授还为此赋诗一首表示祝贺。

有意思的是,这首诗的题目叫作“认为算术产生随机数肯定是罪过的那些人”,是以“正话反说” 的形式,写给那些怀疑量子计算的人的。Shor 之所以这么写,是因为对量子计算原型机的研究,学界与公众确实有不同的声音,有人认为这些研究“夸大其词、意义不大”。

在施郁看来,“九章” 当然是中国在量子计算领域实实在在的突破和进展,这一点是经得起考验的。

他同时也指出,无论是2019 年谷歌的“悬铃木” 还是2020 年中国科研团队的“九章”,本质上都属于针对特定计算任务、显示能力的一种演示装置,还需要进一步发展,离通用量子计算机还差得比较远,因而它们只被称作“原型机”。

也就是说,“悬铃木” 只能求解随机线路采样,“九章”只能用于高斯玻色采样,它们做不了别的计算。

它们目前的主要意义,是为了验证和实现“量子优越性”,也就是在特定问题的计算能力上,量子计算要远远超过经典计算。“九章” 的数据是:处理高斯玻色取样问题的速度比目前最快的超级计算机“富岳” 快100 万亿倍,且等效速度比谷歌的“悬铃木” 快100 亿倍左右。这已经实现了量子优越性。

用“九章” 研制团队领衔人、中国科学技术大学教授潘建伟的话来说:现在的量子计算原型机更像是一个“玩具”,只能在玩某一个游戏方面击败经典计算机。在施郁看来,即使是这样的“玩具”,也是值得开发研究的,因为科学家需要通过这个过程进一步驾驭量子计算。

要攻克的难关是操纵更多的量子比特,而且在这个过程中保持它们的量子性质。量子状态是很脆弱的,要隔绝外界环境对它们的干扰,需要先进的技术来保障。验证量子优越性,需要操纵约50 到100 个量子比特,2019 年谷歌的“悬铃木” 包含53 个超导量子比特,2020 年中国的“九章”操纵了76 个光子。

另一个有意义的研究方向是在经典计算机上模拟量子计算,演示量子比特如何对不同操作做出反应,为量子计算开发出适合特定科学领域的量子算法。

“这样的量子算法,现在还是不多的。” 施郁向《新民周刊》记者表示。在他的研究团队里,有擅长经典计算机编程的,也有擅长相关物理领域的。

等到人们能操纵数百个量子比特,才可以解决某些经典计算机无法胜任的实用问题,例如量子化学、新材料设计、优化算法等。那时,量子计算机才开始从“玩具” 变成“工具”。这是当前全球量子计算研究团队的主要任务,科学家们希望能在5-10 年实现目标。

目前科学界认为量子计算能解决的实际问题,包括对密码的破解、大数据搜索、生物医学领域的一些模型构建等,就需要操纵至少几百万个量子比特才能实现,同时还要满足大于99.9% 的操纵精度。做到这一步,也就是实现了可编程的通用量子计算机。学术界普遍认为,这个目标面临的挑战是巨大的,至少还需要20-30 年的时间来攻关。

量子计算发展到可以解决实际问题的时候,是否会逐渐替代经典计算?换句话说,将来是否会由量子计算“一统天下”?施郁表示:这是不会发生的。因为量子计算和经典计算各有各的优势,人们当然是选择在对应的领域更合适、性价比更好的计算方式;两者不是谁取代谁的关系,而是互相补充的关系。那些经典计算机需要的时间太长、无法胜任,而量子计算费时短的计算领域,才是量子计算机的用武之地;而且专用量子计算比通用量子计算现实得多,通用量子计算的实现难度要大得多,对量子比特个数、纠错和抗噪声的要求都更高。因此,量子计算具备有条件的“优越性”,但并没有超越一切的“霸权”。

“量子通信” 到底意味着什么?

量子通信,是目前量子科技最“接地气” 的一项应用领域。如果说墨子号量子通信卫星上天、“京沪干线” 建成,还是让人们认为量子通信的“绝对安全” 暂时只应用于军事、金融等高端特定领域的话;那么最近国内电信运营商推出的“量子密话”,就把量子通信与普通人的距离拉得更近。

这款移动通信产品宣称将5G 通信与量子通信技术紧密结合,已成功在安徽试商用,用户只要更换为专用的安全通话SIM 卡,再下载相应App 就可实现安全通话,换卡的费用在100 元以内。

这种“量子密话”,是利用量子随机数及量子密钥分发机制来生成认证密钥及通话密钥,其密钥具有“真随机性”。

“真随机性” 是相对普通加密方式而言的。这些密钥只能用一次,用户每次发起“量子密话” 时,系统会随机抽取SIM卡内的一个量子密钥与后台建立连接、校验身份信息;认证通过后,再另外实时生成一个新密钥作为会话密钥。认证密钥与会话密钥分离,用后会废弃。

当然,某次通话的密钥使用后,在理论上经过巨大的演算时间,有可能被破解;然而下一次通话又采用了新的密钥,所以后续仍然能保证安全。如此就实现了从主叫方手机到被叫方手机间的端到端的加密,通话的语音信息即使被其他人获取到也无法获得真实内容,安全性显著提高。

不过,这种安全通话实现的前提是双方需要同时支持该项技术,并且需要用户到临近的服务站下载自己的专属密钥到SIM 卡中,如果专属密钥用完了,要再去服务站补充,就像去加油站加油。另外,能进行量子安全通话的手机在基本功能上和普通手机一样,在没有手机信号的情况下,也是无法通话的。

从电信运营商推出的“量子密话” 就能看出来,这里的“量子通信” 其实在本质上并不是一种通信技术,而是密钥分发的技术,也就是利用量子本身的特性,生成密钥,进行“量子密钥分发”。

目前,有了墨子号卫星和“京沪干线”,中国已经实现了千公里级的量子通信。中国量子通信领域研发团队的领军人潘建伟提出:量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。具体的实现步骤是:首先通过光纤实现城域量子通信网络,进而通过中继器实现邻近两个城市之间的连接,最终通过卫星平台中转来实现遥远区域之间的连接。

按照这样的路线,量子通信未来的发展一方面需要扩大量子通信网络的有效覆盖范围,包括实现量子通信网络和经典通信网络的无缝衔接、实现可支持千公里量级的量子中继、发展下一代可全天时工作的量子卫星网络等。另一方面,我们需推动核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和规模化的应用示范。

施郁则从理论上畅想:随着技术的进步,量子通信也可能不只停留在密钥分发的领域。不过,它在未来也并不是对现有通信技术的完全替代,而是与经典通信方式结合和互补。

从“被鄙视” 到“超热门”

眼下,量子科技热得烫手,已被世界各国列入增强未来竞争力的发展战略。“现在,年轻人来报我的研究生学量子物理、做量子研究,是不需要什么理由的,它是热门和潮流。”施郁说。但是,当年他自身面临的情况,与如今完全不一样。

1985 年,参加高考的施郁选择了物理学专业,并从此开启了延续至今的在理论物理尤其是量子物理理论的学术之路。其实,他与量子的结缘还要追溯到更早。“我在高中的时候,看到当时出版的苏联科学家写的一本《量子力学史话》,从此对量子产生了兴趣。这本书,至今还在我老家的书架上放着。”施郁告诉《新民周刊》记者。

众所周知,爱因斯坦这位伟大的物理学家尽管被认为是量子力学理论的创立者之一,但到最后并不接受量子理论是一个完备的理论。 。1935 年,他和波多尔斯基、罗森在美国《物理学评论》(Physical Review)上联合发表题为“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗” 的论文,发现了量子力学中存在一种特殊的关联,认为这显示了量子力学的局限性。后来另一位伟大的物理学家薛定谔将这个特殊关联称作“量子纠缠”。但是很多物理学家认为这些概念的研究属于哲学。

半个世纪之后,施郁在高校求学时,还有不少资深的物理学者对于量子纠缠和量子力学基础的研究抱着一种“鄙视” 的态度,他们认为那是一种哲学,不算是物理学该讨论的事。彼时,量子通信和量子计算还看不到从理论走向实践的进程。

尽管如此,施郁不为所动,仍然坚持自己的学习和研究。“我当时没有去想过量子在将来会不会变得热门,那不是我在乎的东西。我到现在依然如此认为:如果你对某个领域感兴趣,那就去学习它、研究它,不要管它是不是热门。”

在他看来,如果只是因为热门而来研究,那假如过些年这股热潮过了,是不是这些人就会脱离量子研究,又转去追逐另一个“热点” 呢?这种“潮起潮落” 在科学界并不少见,但研究者应该保持一颗平常心,冷静地坚守自己的领域。

他说:量子力学是研究微观世界的“通用语言”,其实当今物理学的许多分支都与量子理论有密切的联系,“量子研究”早已有之;只是在之前,许多学者不会强调自己做的是“量子”研究,而现在很多研究人员把“量子” 二字加上去了。

除了坚持在量子领域的理论研究和专业教学,施郁还投身对全体学生和社会公众的科普。他连续七八年在复旦大学开设《量子计算与量子信息》选修课,来听课的学生并不局限在物理学专业。

2020 年新冠疫情期间,他在网络平台直播讲授该课程,更是吸引了外校的学生、已经工作的上班族甚至在国外学物理的学生来观看学习。为了方便与这些网络学生的交流,施郁还为他们建立了专门的微信群,在群里分发资料、答疑解惑。“有些上网课的观众跟我说:‘以前不懂的问题,看了您的视频就懂了。’不管他是不是我们学校的学生,能有这样的效果,我都很开心。”

他还在“知识分子”“赛先生” 等网络平台以及《光明日报》等报刊发表了大量科普文章,结合科学的前沿与历史,所述内容多与量子力学相关。从引力波到黑洞,从“揭开量子的神秘面纱”到“物理学家如何开启量子信息学”,从“爱因斯坦在上海滩做了些什么” 到“爱因斯坦访华计划为何流产”,从“量子科学革命” 到“量子科技为什么重要”,这些文章严谨准确又通俗易懂,为广大受众欢迎,被许多媒体引用转载。在他看来,科普要有针对性,对于不同人群与内容要求需要各有侧重、兼顾科学准确性和可读性,最好在传播科学知识的同时传达科学思想和精神。

“量子力学是有意思的事,对于公众而言是值得了解的。”不过,他认为,公众可以更多地了解吃透这个领域的一些基本概念。“大家都来关注量子力学肯定是件好事,但不要太急切了,可以从更长的时间尺度来观察这个领域。” 他说,量子领域的研究和实践还需要艰难的攻关,不是一时半刻就能出现改变普通人生活的显著进展。希望人们能耐心地等待,给科学家们创造一个宽松的环境。

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