全新视野

郭光灿:没有10万+就无法实现量子霸权

11月15日上午,第二十届高交会中国高新技术论坛——“颠覆性创新技术”主题论坛在深圳会展中心顺利召开,论坛主要围绕量子通信与量子计算和人工智能两个专题展开。中国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭光灿发表了重要演讲。
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郭光灿院士在演讲中解释了量子计算机的诞生以及其与经典计算机的不同之处,并介绍了目前国际上量子计算机的发展情况和趋势。特别的,他提到最近量子信息“被炒得过分”了,“好像自然界所有搞不清的都可以归结于量子纠缠,什么灵魂呀、宗教呀都要靠量子纠缠,这是不对的。”
并纠正了两点宣传错误:一、量子纠缠并不能带来超光速通信或者超光速信息传输;二、量子技术也不能将人瞬时传送,“这肯定做不到,这不是技术的问题,是原理性做不到。量子信息作为科学不允许有这样的现象发生,这是把科学幻想和神话当成科学知识来传播。”
量子信息技术不该被也无需被妖魔化,百年来人类基于量子基本原理和力学经典原理将服从经典物理规矩的技术发展到了极限,而量子信息与量子计算的诞生意味着人类开始从经典工具迈入量子工具的新时代,这是见证那根骨头棒伴随着交响音乐变身成宇宙飞船的时代。
“这个时代的前景非常辉煌,但是它的路很漫长,不是马上就能到的,所以外面的宣传说量子什么技术可以马上走进到千家万户,这就是不对的,离真正的应用还早。”
固态量子计算机 “理论上可以解决,但技术上很难实现”问题
而量子计算机技术则是量子技术中最具颠覆性的技术,郭院士解释说,为现代信息社会带来天翻地覆变革的摩尔定律正在失效,甚至可以说正在死亡,目前微电子发展方向已经不再追求速度,而是向着专门化和低能耗。一旦摩尔定律终结了,什么技术能继续提高计算机的运算速度?量子计算机就是这个替代者以及颠覆者,尽管目前它的发展仍“处在从晶体管时代到集成电路时代的过渡阶段。”
早在80年代,物理学家们已经把量子计算机的主要理论框架建立起来,美国更是从90年代初开始布局了量子计算机研究,并逐步聚焦到半导体和超导的固态体系。
美国政府在2016年已经宣布在五年之内要做到量子计算机可以实际应用,今年白宫九月更是公布了“国家网络战略”,旨在维持美国在量子信息领域的国际领导力,郭光灿还在发言中透漏,“美国几乎所有的大公司都成立了量子计算机研发中心。”其他国家同样也不甘其后,欧洲在“搞了十亿欧元的量子宣言规划”,澳大利亚则集中力量硅基半导体芯片,最近跟法国联合起来,共同开发硅基量子计算机。
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美国国家网络战略
固态量子计算机的优势在于其可拓展性,这是大规模集成的基础,但是固态量子计算机的问题是其量子比特相干性非常脆弱,如果量子计算机的算法未能及时在这个相干时间内解决问题,那么量子比特的相干性就被会破坏掉,没有了相干性(所谓相干,简单的可以理解为系统与周围环境的隔离程度,是衡量系统与周围环境的互动量),量子比特间的纠缠就会失效,运算就会失败。越大的宏观量子体系保持住量子性就越困难,所以如何保持相干性以及容错率是目前固态量子计算机亟待解决的关键问题。“理论上可以解决,但技术上很难实现。”
超导量子计算机 “至少需要100000个物理量子比特”量子霸权
“目前国际上,现在已制备出三个比特的半导体量子芯片,”郭光灿表示,“我们(中科大)从2010年起步,目前也已经做到三个量子比特,基本上达到国际的水平。”虽然互有进展,但是离终点还很远,郭院士(并没有谦虚地)说“跟国际上相比,我们跟他们差不多。”
但是在超导量子计算机方面,仍是“国际上比较领先,相干时间已经提到100个微秒,现在他们已经做到10几个比特,而我们国内在超导(量子计算机)方面远远落后于国际。”
2015年,Google成功研制出了9个逻辑量子比特的超导量子计算机,现在已经达到72个量子比特(未验证);IBM最新的研究成果是20个逻辑量子比特,他们的目标是达到50个逻辑量子比特,因为IBM“认为50个量子比特的量子计算机的运算能力是所有经典超算赶不上的,并给它起了个名字叫量子霸权(quantum supremacy),意思是说我是最牛的,谁也赶不上,后来发现50不够,我们现在用经典计算机就可以模拟出65个量子比特功能,所以定到50个还不行,现在霸权起码要达到100个左右。”
这两家代表了目前在超导量子计算机方面国际上最高的水平,但距离通用量子计算机仍然还很遥远,即使实现了量子霸权,其应用也是非常有限,是功能比较低级的专用机,仅能在相干时间内处理特定任务,他表示,IBM很有可能在三到五年内做出第一个“专用机”级的实际产品。郭光灿用计算器来比喻这种初级产品,“就像我们电子计算机普及以前,电子计算器先普及,功能很差但是它是数据运算很全,将来有可能先是量子计算器产品上市。”
这是量子计算机研发上的大概状态,郭院士总结到,整个量子计算机发展处在从晶体管时代到集成电路时代的过渡阶段。要实现量子霸权,必须保证量子芯片的物理量子比特数“起码是10万以上”,还有操作(相干)时间要足够长,以及有足够应对局面的量子纠错技术跟容错技术。
以下为演讲全文:郭光灿:很高兴能够在这论坛做个报告,报告题目是量子计算机。量子力学诞生100多年,已经为人类创造了像互联网、电脑之类新技术,它们是由量子基本原理产生的,已经影响我们整个人类社会的发展,这是大家感受得到的,但是这些技术都是经典技术,他们服从经典物理的规律。量子信息的诞生将把我们带到量子技术的时代,利用量子特性开辟新的技术,而这些量子技术比经典技术它的性能要高得多,可以突破经典物理的极限。比如说量子计算机就比电子计算机要快得多,所以人类从现在开始,就从经典时代,经典工具迈进量子工具的新时代,这就是量子信息诞生的重大意义。在人类社会发展历程中我们要进入新的时代,这个时代的前景非常辉煌,但是它的路很漫长,不是马上就能到的,所以外面的宣传说量子什么技术可以马上走进到千家万户,这就是不对的,离真正的应用还早。我今天报告的量子计算机就是量子技术里面最颠覆性的技术,讲这个主题之前,我要先说几句跟这有关的话,最近几年量子信息炒作太过分,本来量子技术就非常神秘,量子世界确实很奇怪,但是经媒体炒作,个别学者炒作以后,就把量子信息弄得非常火,好像自然界所有搞不清的都可以归结于量子纠缠,什么灵魂呀、宗教呀都要靠量子纠缠,这是不对的。究竟量子技术可以给人类带来什么?不能做什么?哪些是有可能应用的?哪些非科学的玄学,必须讲清楚。量子技术究竟有哪些真实可用的,随着人们研究的不断深入,会不断开拓出来,我今天要讲的量子计算机是其中最重要可以做的。这里要讲的是几个肯定做不到的,我要讲两点:第一:纠缠非常奇异,AB两个纠缠粒子分开,对其中一个测量便瞬时引起另一个状态发生变化。这种瞬时变化被认为是超光速的通信,所以叫做幽灵,那么这种幽灵究竟是什么?其实在量子世界没有超光速,两个纠缠粒子之间的瞬时变化无需任何信息的传递,真实的物理原因是它们的量子关联,量子关联是产生这个现象的本质因素,在量子世界和经典世界一样,不存在超光速的信息传输。
第二,最近有人在大力宣传,量子信息可以把人瞬时的从某个地方传送到另外一个星球,我们以后从深圳去纽约不用再买飞机票,用量子技术就可以直接过去了。这肯定做不到,这不是技术的问题,是原理性做不到。量子信息作为科学不允许有这样的现象发生,这是把科学幻想和神话当成科学知识来传播,将量子力学妖魔化造成很大不良影响,所以我要澄清两点,超光速的通信不存在,把人瞬时送到另外一个地方绝对做不到。我写了《量子十问》发表在网络上可以查到,其中两问就是回答这两个问题,今天时间宝贵就不多讲,回到主题,量子计算机。量子计算机是怎么诞生的?这与电子计算机的发展有关,摩尔定律说,电子计算的运算速度每18个月翻一翻,确实如此,摩尔定律带来了人类社会翻天覆地的变化。上个世纪80年代一帮物理学家就提出一个问题,摩尔定律会不会无限地下去?摩尔定律会不会终结?他们的研究结论是摩尔定律肯定会死亡!一旦摩尔定律终结了,什么技术能继续提高计算机的运算速度?就诞生了量子计算机,摩尔定律失败了,量子计算机就是替代者,当时电子计算界根本不理物理学家的这个结论,并嘲笑他们是杞人忧天。现在美国政府前几年宣布摩尔定律失效,目前微电子发展方向不再追求速度,而是专门化和低能耗。
以量子计算机的研究又重新引起人们的研究热情,实际上80年代物理学家已经把量子计算机的主要理论框架建立了,90年代便开始了研究如何在物理上实现。量子计算机与经典计算机不同在哪?经典计算机处理的数据叫比特,比特是0或者1,我们处理的数据就是0,1串,量子计算机就不一样,量子世界的不确定性满足叠加原理,微观粒子是处在0和1叠加的状态,这叫量子态或者叫量子比特,这就是量子跟经典最本质的区别,量子特性体现在这个叠加原理,体现在量子比特上。如果你用到0或者1做信息功能就是经典,量子计算机就以量子比特作为信息处理的单元,量子计算机所有的过程都遵从量子力学的规律。一个电子计算机存储器要么0或1,只有一个数,量子存储且可同时存储0和1两个数,两个存储器,电子计算机还是存一个数,但是量子计算机可以同时存四个数,如果有N个存储器,电子计算机也是存一个数,但是量子计算机可以同时存2的N次方的数据,所以量子计算机的存储数据能力是电子计算机的的2的N次方倍。计算是什么?就是对存储器的数据实施操作,操作一次就把数据变化为另一个数据,电子计算机不管多大就是存一个数,操作一次就变成另外一个数,整个运算过程就这样一步一步操作,所以电子计算机都是用串性运算的模式,量子计算机就不同,操作一次可以把这个的2的N次方数据变成新的2的N次方数据,这叫并行运算,这可能就要快得多。
所以量子计算机不是靠处理数据的速度而是靠并行运算能力来加速运算速度的。而这种并行运算能力是来自于量子世界的量子特性。Shor在90年代提出一个算法可以求解大数因子分解,这个问题是现在广泛使用的公开密钥的安全基础,如果你把这个大数分为两个素数,这个密码就破了,如果分不了就是安全的。全世界并用1600台工作站并行运算花了8个月将129位的数分成两个素数,虽然分解成功,但是代价是要这么多资源和时间。而采用量子计算机,有并行运算能力,一秒可以分解成功。一旦量子计算机研制成功,现在广泛使用的公开密码体系全部会被破解,最近美国政府已经宣布要把现有的公开密钥分期分批淘汰,这个因为量子计算机的实现已不再是遥遥无期了。
总之,量子计算机的运算能力跟电子计算机的运算能力相比,就相当于经典计算机的运算能力与算盘的运算能力的相一样,因此一旦实现了电子计算机时代过渡到量子计算机时代,人类社会将会经历多个天翻地覆的变化。量子计算机要做的事就是解数字问题,要输入数据,数据是经典的,所不同就是处理数据的方法不同,电子计算机用电子芯片,串行运算,量子计算机用量子芯片,并行计算。除了芯片,还要有量子软件等,所以量子计算机的研制是一个复杂的工程问题。量子计算机所涉及到的硬件包括量子芯片操控系统和测量系统,软件量子算法、量子编码、量子系统的结构还有用于制备量子芯片的量子材料等。美国从90年代初开始布局了量子计算机研究,逐步聚焦到半导体和超导的固态体系,固体,固态它的好处就是可以扩展,但是固态的量子相关性非常脆弱,很快消失掉,如果一个计算机还来不及解决问题,就被破坏掉,那么运算就失败。所以怎么容错是一个关键问题。多年基础研究,固态的量子相干时间大幅度增长,容错有了可能了,所以人们的研究热情又高涨起来。
国际上半导体量子芯片现在已制备出三个比特,芯片里面三个量子比特,我们从2010年起步,目前也已经做到三个量子比特。基本上达到国际的水平。虽然有进展,但是离终点还很远,跟国际上相比我们跟他们差不多。超导国际上比较领先,相干时间已经提到100个微秒,现在他们已经做到10几个比特,我们国内在超导方面远远落后于国际。国际上的趋势是这样:2016年7月,美国政府已经宣布在五年之内要做到量子计算机可以实际应用,美国几乎所有的公司都成立了量子计算机研发中心。欧洲搞了十亿欧元的量子宣言规划,澳大利亚集中力量硅基半导体芯片,最近跟法国联合起来,共同开发硅基量子计算机。2015年谷歌说已经做了9个超导量子比特,他们拟做到49个,2016年IBM已经做了5个,他们要做50个,他们认为50个量子比特的量子计算机它的运算能力是所有经典超算赶不上的,给它起了个名字叫量子霸权,意思是说我是最牛的,谁也赶不上,后来发现50不够,我们现在用经典计算机就可以模拟65个量子计算机功能,所以定到50个还不行,现在霸权起码要达到100个左右,也就是说做到经典计算机没有办法超越的水平可能要到100个比特左右。谷歌现在最新成果已经做到超导72位量子比特,相干时间都差不多能达到可应用。
IBM做到20位比特,这两家代表了目前在超导方面国际上最高的水平;即使实现了量子霸权其应用也是非常有限,是功能比较低级的应用,而且是专用机不是通用机,通用机就是能够解决所有问题的,专用机是相干时间内能处理特定任务,这叫专用机,IBM有可能在三五年做出第一个产品,但是即便做出来了,仍然是一个专用机,是一个功能很低级的专用机,但是尽管低级,其五脏俱全。就像我们电子计算机普及以前,电子计算器先普及,功能很差但是它是数据运算很全,将来有可能先是量子计算器产品上市,这是大概的状态。整个量子计算机发展处在从晶体管时代到集成电路时代的过渡阶段。我们现在是搞一个本源公司,大家有兴趣可以到那里看,那个公司平台里面告诉你量子计算机的基本知识,告诉你怎么操作,怎么用经典来模拟量子比特。总的来说,量子计算机的主要困难,量子芯片的物理量子比特数起码是10万以上,还有相干时间要足够长,能采用量子纠错技术跟容错技术,这两个技术都很难实现,理论上可以解决,但是做起来很难。所以要确保量子计算机任务完成,相干时间足够长,每次操作时间足够快。如果专用机先把容错纠错难点放在一边,追求比特数,比特数做到一定程度,就能够比电子计算机更快的解决特定的问题,这个比特数大概是50—100才可以达到量子霸权,这个就是量子计算机的发展情况。我20分钟的报告时间也差不多了,谢谢大家。(演讲全文根据现场速记生成)
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