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量子科技幫我們理解人類智慧

發布日期:2020-11-06 信息來源:光明日報

    量子科技普通人看不懂,聽起來很玄。市場上還出現了“量子鞋墊”“量子水杯”“量子面膜”等,有的培訓機構推出“量子波動速讀法”,這些東西靠譜嗎?甚至有的人宣稱量子科技能治療糖尿病、癌癥等疑難雜癥,這些說法科學嗎?記者日前采訪了量子科技方面的著名專家,中國科技大學教授、中國科學院院士潘建偉。

  量子科技的基礎是量子力學,不治糖尿病、癌癥等疑難雜癥

  記者:量子科技的基礎是量子力學,您能否介紹一下量子力學是什么?量子革命是怎么回事?

  潘建偉:量子力學誕生于20世紀初。從1900年普朗克提出量子論的百余年來,眾多物理學家通過對量子規律的觀測,已經成功構建起量子力學的理論大廈。通過量子力學,人們深入認識了微觀世界的規律,在此基礎上產生了半導體、激光、核能等改變世界的重大發明,催生了現代信息技術,這是人類的第一次量子革命。

  與經典力學相比,量子力學所描述的微觀粒子具有量子疊加的特性。如果把量子疊加擴展到多個粒子,就會產生“量子糾纏”現象。愛因斯坦就把量子糾纏稱為“遙遠地點之間的詭異互動”??茖W家在對量子糾纏這一詭異互動展開大量實驗研究的過程中,發展起來了精細的量子調控技術,人類從對量子規律的被動觀測,發展到能夠對量子狀態進行主動操縱,這就類似于人類對生物學的認識,從孟德爾遺傳定律到DNA結構的偉大跨越。

  結合量子調控和信息技術,產生了量子信息這一新興學科。量子信息包括量子通信、量子計算和量子精密測量三方面的應用,可以在確保信息安全、提高運算速度、提升測量精度等方面突破經典技術的瓶頸。以量子信息為代表的量子科技迅速發展,人類迎來了第二次量子革命。經過學術界多年努力,目前量子保密通信和量子雷達進入了實用化階段,也有了相關產品,其他的量子技術離產業化和商業化還需要一定的時間。至于市場上出現的量子鞋墊、量子水杯、量子波動閱讀法等,都跟量子科技毫無關系,量子科技目前也沒有在糖尿病、癌癥等疑難雜癥的治療方面有所應用。

  量子通信的兩種典型應用:量子密鑰分發和量子隱形傳態


  記者:您提到量子通信已進入實用化階段,能否詳細介紹一下?

  潘建偉:國際學術界將量子密鑰分發和量子隱形傳態統稱為量子通信。量子通信其實包括兩種最典型的應用方式,一種是量子密鑰分發,另一種是量子隱形傳態。

  量子密鑰分發是利用單光子的量子態來加載信息,通過一定的協議來產生密鑰,量子力學的基本原理保證了密鑰的安全。量子保密的安全性是基于量子力學基本原理,和傳統的加密算法不一樣,它的安全性與計算復雜度無關,只要量子力學是正確的,量子保密通信原理上就是無條件安全的。

  量子隱形傳態是利用量子糾纏,把量子態從一個粒子傳送到另外一個粒子,而不用傳送信息載體本身。做一個形象的比喻,上海有一個微觀客體,可以由幾千、幾萬個原子組成。如果上海和北京之間有很多的原子糾纏起來了,要把上海體系的狀態傳到北京,可以對上海的客體和糾纏原子進行一種共同的測量;測量完以后,可以把測量結果通過無線電臺發送到北京,北京只要根據這些結果對手中粒子進行相應的操作,就可以在北京把上海的體系重新給制備出來。對于量子信息研究而言,量子隱形傳態可以連接量子信息處理單元來構建量子網絡,同時也是實現遠距離量子密鑰分發的重要環節。

  量子計算機具有超強計算能力,人類大腦的運行機制可能和量子計算機有相通之處


  記者:最近量子計算機也是一個熱門話題,請您介紹一下量子計算的原理和發展趨勢。

  潘建偉:經典計算機的一個比特只能處于0或者1兩種狀態之一,兩個比特就只能處于00,01,10,11四種狀態里的某一個。而對于量子計算機,一個量子比特不僅可以處于0或者1,還可以同時處于0和1兩種狀態的疊加,兩個量子比特就可以同時處于四種狀態的疊加,這就意味著量子計算機原理上可以對四個數據同時進行計算,因此量子計算的計算能力隨著量子比特數目呈指數增長,可以為人工智能、密碼分析、氣象預報、藥物設計等所需的大規模計算難題提供解決方案。比如說,有的量子計算機可以快速分解大數,而分解大數的計算復雜度是目前廣泛使用的公鑰加密算法安全性的基礎,如果量子計算機研制出來,傳統信息安全體系將受到很大威脅;量子計算機還可以快速求解線性方程組,在人工智能、大數據等領域將會有非常廣泛的用途。

  量子計算的發展有三個階段:第一階段,針對某一些特殊問題,要造出一臺機器來,可以比目前最快的超級計算機要算得快,這被學術界稱為“量子優越性”。達到這一目標需要能夠相干操縱大概50個量子比特。

  第二階段,我們希望能夠操縱數百個量子比特,可以實現專用的量子模擬機,對有些復雜物理體系的機制,比如高溫超導等,目前的超級計算機算不了的問題,我們能夠來算,來解決實實在在的問題。

  第三階段,實現可編程的通用量子計算機,就像我們現在用的計算機一樣可以計算很多問題。達到這一目標的關鍵是量子糾錯。目前到底在哪個物理系統實現還沒有定論,所以需要各種體系,光、超導、超冷原子、離子、固態、拓撲態等等,來開展相關工作。實現可編程的通用量子計算機還需要20年甚至更長的時間。

  我們在量子計算的研究主要集中在三個方向:第一,光量子計算,我們已經做到了相當于48個量子比特的結果,今年有望實現50或者60個光子的相干操縱,也能夠達到量子優越性。我們的技術途徑跟谷歌不一樣,谷歌是用隨機線路采樣,我們是用玻色取樣。玻色取樣的優越性有嚴格證明,我們的系統按照目前最優的算法估計,可以比頂點計算機快百萬億倍左右。第二,在超導量子計算方面,最近我們已經達到了24個超導量子比特,希望在今年年底,我們能夠做到60個左右量子比特的相干操縱,也能夠達到量子優越性。第三,我們還是希望能夠像費曼所說的,來真正解決一些物理、化學、材料等領域很重要的、經典計算機解決不了的問題,大概需要操縱幾百個粒子系統,目前我們在超冷原子量子模擬方面已經有比較好的進展了。

  長遠來看,量子計算可能在人工智能方面有很重要的應用。這是由于,經典計算機終究是決定論的,經典的人工智能不管發展到什么程度,我們仍然覺得這是一部機器,是一個機器人,它不可能完全像人類大腦一樣去思考。而量子力學第一次把觀測者的意識與物質的演化結合起來,有的科學家因此猜測,人類大腦的運行機制可能和量子計算機有一些相通之處。隨著量子計算的發展,也許可以幫助我們更好地理解人類的智慧。

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