郭光灿：中科院院士，中国科学技术大学教授

来源：中国经济大讲堂

关键字: 量子，量子通信，量子计算机，量子霸权

【量子计算机被认为是当今最有前景的前沿技术之一，因为量子计算机可以比传统计算机处理更多地数据，并有望改变整个世界。在2019年的国际消费类电子产品展览会上，IBM公司研制的最新量子计算机惊艳亮相。这项被公认的颠覆性高科技是不是即将走进我们的生活？

中科院院士，中国科学技术大学教授郭光灿在《中国经济大讲堂》的演讲中指出，一个时代到来一定有个标志性的东西，只有通用量子计算机得到实际应用，到那个时候，我们就可以宣称量子时代到了。】

郭光灿：什么叫量子，凡是运动规律遵从量子力学的那些客体，统统叫量子。

它和我们所说的经典世界有什么不同？为什么来了个量子？肯定不同，因为它们遵从的物理定律不同，一个遵从牛顿力学、电动力学这经典物理的，叫做经典世界，这是大家很熟悉的一个世界，而我们所熟知的经典世界，所有这些量都是确定的。所以我们生长在一个确定的世界里，而量子世界是一个不确定的概率性的世界，你看这两个世界有多大差别。

比如说这个空间里有一个粒子，那么经典世界说这个时间这个粒子在空间哪一个位置，它是完全确定的，如果它不确定的话，那我的导弹打飞机我怎么打，所以它的轨迹一定是确定的，到哪儿我就打哪儿，对不对？

但是量子就不一样了，量子是不确定的。这个世界里面、这个空间有一个量子，这个量子可能是光子，可能是电子，可能是夸克，那么问这个粒子在空间哪一个位置，量子力学告诉你它是不确定的，概率的空间上哪一点都可以找得到它，一旦找到了就是一个，这个叫概率性，所以它是概率分布的，这就是很大的不同。

还有更不同、更奇怪的，如果一个粒子从空间的一点到另一点有几条路，那么，比如说我从合肥到北京，我可以坐高铁，我可以坐飞机，就是有两条路。一旦到了北京以后，你问我从哪里来，我说我买的高铁票，我肯定坐高铁不坐飞机，那我就走了一条路。

经典物理是确定的，我的轨迹、运动轨迹是确定的。要是量子的话，我是个量子，我从合肥到北京有两条路，有高铁，有飞机。我一旦过来了，你问我怎么来的？假设我是量子，我说，我既坐高铁又坐飞机，我两条同时来，为什么？它是概率的，它是不确定的，这是它的特点。这个你就很奇怪对不对？但是自然界就是这么存在这种性质的粒子，它就按这种规律行事。所以我们不能不承认，你要去理解它。

美国人在2016年提出，要在五年之内，搞几十个量子比特的量子计算机来供科学家做科研用。然后美国所有的军工实验室、高校实验室和各大公司都投入到量子计算机的研制当中，尤其是公司，他们的投入非常大，因为他们的目标就是占领未来的市场。

现在闻到这个市场快来了，不是遥远的未来，大家都想抢这块蛋糕。几乎所有大公司都投入了，这个投入对促进量子计算机的发展是很有用的，因为他们有资源，研制量子计算机的速度就可以加快。

欧盟也不落后，它花了10亿欧元，搞了一个量子宣言。从去年就开始启动，它把所有的量子技术都作为它的发展对象，其中，他们打算15年以后，做一个实际可用的通用量子计算机。澳大利亚，整个国家也做量子计算机，它不做超导做硅基，做硅基的量子计算机。

整个来说，量子计算机处在一个从晶体管向集成电路过渡的那个阶段，电子计算机就经历过这个阶段，现在量子计算机也走到差不多这个阶段了。最近这几年，就是研制量子计算机最关键的年份，所以我们会不断听到国际上、国内外在这方面的一些进展。

那么究竟量子时代什么时候能到来？我们碰到两个困难。

第一个困难，量子器件是我们宏观的世界的人要用的，所以是宏观器件，宏观器件又是做量子的，所以实际上是个人造的量子系统，人造的量子系统它的相干时间就非常短，所以我们要在宏观世界上保持它的量子性不消失掉，一消失掉了它的功能就丧失掉了，又回到经典的时代了。所以我们如何确保它的量子性不消失掉，这是个困难，这个困难是很大，这个困难阻碍着我们很快发展。

另外一个困难，就是人类要操控量子计算机，比如说我们人类掌握的经典器件，我用经典器件去操纵一个量子比特，让它按照我需要的方式运行，到哪儿去控制它？这就是对于量子世界的调控，这个技术人类还没有掌握到非常成熟。

我们可以命令火星上一个探测器把矿拿出来，挖矿出来做光谱分析，把分析的数据发到地球，为它们进行精确的控制，这叫经典操控。人类的经典操控技术已经达到非常高，可我们对量子世界还刚开始操控，我们技术还很落后。

2012年两个物理学家得到了那一年的诺贝尔物理学奖，奖励他们什么？他们操控了单个粒子、单个原子和单个光子，就操控了一个，他就得了诺贝尔奖，因为他有很重要的进步，而我们现在面临的是量子计算机成千上万的量子处理器，我们要控制它难度很大，所以人类还得有一段时间来学习怎么控制微观世界。

所以量子技术虽然是量子力学预言的产物，它原理上肯定正确，但是真正要研制成实用的量子上有一个很艰难的过程，不是一朝一夕所能做得到的，这就是现状。

那么什么时候做到呢？一个时代到来一定有个标志性的东西，对吧？这个标志性是什么呢？就是通用量子计算机得到实际应用，到达那个时候我们就可以宣称量子时代到了。

通用量子计算机什么时候做到呢？需要三步走。

第一步就做一个量子力学操纵的处理器，这是第一步，IBM做到了。他们今年就发布一个器件，这个是完全按量子力学运行的一个用处不是很大的量子处理器，第一步做到了。

第二步就要把量子比特数增加到多少呢？现在是20个，增加到100个左右。然后到了100个以后呢，量子计算机的运算能力就会远远超过现在电子计算机任何超算中心的能力，这叫量子霸权。它叫霸权，这个名字不太准确，但是有点霸气，就是天下我最高，我的速度最快，没有人能比过我，但是它仍然不是通用的量子计算机。

第三步是最终的，要把比特数继续增加，增加到了100个，要做到多少呢？大概一千个、一万个那样的数，比特数要大大增加，然后还要采取容错、纠错的办法，把相干时间拉得足够长。

任何复杂问题在这台量子计算机都能够运行，都不会死掉，到那个时候才是真正的通用量子计算机。而且不仅仅要在实验室做成，还要把它做成仪器，让大家用，就是能够广泛使用。

我认为通用量子计算机能实际应用的时候，我们可以宣称我们已进入到量子技术的时代。但时间还不确定，这可能要十五年、二十年......

中国做量子信息的时间很长，90年代量子信息刚刚在国际上萌生的时候，我们就开始做了。我们做的时间很悠久，当时在世界都没看好的情况下，我们就开始坐了20年的冷板凳。我们现在整个量子信息的技术水平在国际上算第一梯队，第一梯队就是跟最发达国家差不多，美国 、欧盟、日本这算第一梯队，还有我们。

具体的项目，量子保密通信我们绝对不比他们差，因为那些技术都是我们自己研发的专利，自己做出来的。美国不公开他们怎么做的，就美国一个国家不公开量子保密通信怎么做，这就好像没做一样，但实际上他们在做，他不告诉你。所以我们靠自己，已经做的性能不比他们差。

所以我敢说，在这个领域里我们应该是一流的，不说领先也算一流。要说领先的话，我们一定要知道美国做到什么水平，但现在不知道它的水平怎么样，我们就不能自夸说我们领先了，但起码我们能做到一流。

量子计算他们这几年抓得很多，但我们相对落后，应该落后五年以上。

第一，我们的布局不够，我们国家投入到量子计算的钱还不够。

第二，现在我们很多关键的器件，发达国家不给我们，这就需要我们自己做，但自己做所需要的材料或者加工，它们就要卡我们了，材料不给，又不给我们加工，这个就更难。然后我们把材料好不容易自己做出来，加工又不行了。那么我们速度会变慢，不会像想象的那么快，我们把那些叫“卡脖子”的技术。

即便我们的整体性能已经超越你了，我们已经很好了，但基础的元器件材料我们是落后的，那不行。那么我们现在就从头做，所以我们必须花一段时间把我们的底子补好了，我们补好了熬过这个难关，我就可以比你强。

因为我们人不比他们的差，我们现在资金、人员的素质都不会比他们差。因为这个通用量子计算机还早着呢，谁最后把通用量子计算机做出来那才是笑到最后，现在我比你晚一点、晚几步，但是一旦我度过这个计算难关，我自己自力更生做设计，那我后面可能会超过你，所以我们还是很有希望的。

量子本身就很神奇、很奥妙。因为我们熟悉的是经典世界，我们熟悉的是经典物理，所以我们对量子奇奇怪怪的性质不好理解，这是容易产生误区的一个原因；第二个原因是人为的，就是我们宣传误导了。

举两个例子。

第一个例子，量子纠缠可以实现超光速的通信。

量子纠缠是怎么回事呢？我们有两个例子A和B，A自旋要么向上，要么向下，只有两种可能，那它自旋到底是向上、向下？不一定，不确定。所以它就有50%的概率向上，50%的概率向下。量子世界就是不确定的，我要造一个A和B共同的系统，这个系统非常特殊，特殊在哪儿？不管A和B的自旋在哪儿，它们两个自旋总是相反，这是它们共同的性质。A已经说是向下了，B肯定向上对不对？

如果A不测量，那么B有一半概率向上，有一半概率向下。先测量A，B发生变化，说好像应该有个什么东西过去才会变，那我们现在不做这样的实验，我同时测量A和B，同时测量没有先后了，没有因果了，我不需要什么传过去了，我不需要任何信息传过去。同时不传什么，发现的结果一样，A只要向下，B一定向上，A要向上，B一定向下，它们总是相反，纠缠就是这个性质。这说明什么？说明它们两个是完全关联的，是一种量子关联。

所以纠缠幽灵它的本质，就是量子关联，量子关联所发生的瞬时变化，根本就没有信息的传递，没有信息的传递就谈不到超光速的信息。

量子关联是量子力学非常基本的性质，所以现在提供很有用的工具，叫EPR效应，是量子力学基本一个效应。

什么叫EPR的效应？比如说一个母亲在北京，她女儿在深圳，她女儿在深圳结婚，生孩子，孩子生出来那一瞬间这个在北京的母亲就自动变成外婆，这就是EPR的效应。尽管她女儿没有告诉她，她妈妈也不知道她女儿生孩子，但是，这件事情一定是同时发生的。她女儿都变成母亲了，她母亲在身份上肯定要往上升一级，变成外婆，这就是关联。什么关联？母女身份的关联。

不管两个分得多开，一定关联，她生孩子瞬间一定马上变化，身份变化了，跟这个纠缠一样。纠缠是两个粒子是总是相反的，我在哪儿测量，它一定变，所以科学的对纠缠的理解，就是没有任何信息的传递，没有任何超光速的，也不可能拿这种纠缠开发到我们世界里做超光速通信，这是绝对做不到的。

第二个，是量子技术可以将人瞬时地送到另外一个星球，有人说我们到纽约去，以后不用买飞机票，噔，一下子就过去了，这多方便，到底能不能做到？绝对做不到。

他们有什么根据说这句话呢？根据一个实验叫做量子隐形传态。什么叫做隐形传态？一个电子，它携带一个量子信息，要把量子信息传到远方，同时信息的载体不传过去，这是很难的，经典世界里我说话的信息传到你那儿，它的载体就是声波，电台放到你家里，图像就是信息，它的载体是无线电波，所以信息传递都要载体。隐形传态提出，不把载体送走就把信息传过去，一般都做不到。

但有个物理科学家说做得到，把经典跟量子一块儿来用就可以做，所以确实能够把一个电子的信息传到远方去，放到另外一个电子身上和另一个原子身上都可以，但这个里面需要两个条件，一个是纠缠、一个是经典通信。有经典通信就不会超光速，所以隐形传态，你把一个态传到那儿去，绝对不可能超光速，这个实验没有理解清楚，所以他认为，人好像就可以过去了，没有。所以这个绝对不可能是技术上不完整，而是原理上根本做不到，所以这两个误区在外面影响非常大，把量子力学、量子信息搞得更神奇、不可理解。

当然还有些比较简单的，市场已经有好多量子产品了，你可以到处听到广告，量子水、量子按摩、量子鞋垫、量子医学什么等等都有，所有这些全部是假的。量子按摩是不是量子的？得看它是不是用量子力学的原理按摩，它根本用不着，怎么能叫量子呢？是不是量子，就看它有没有需要用量子力学的规律来做运行，如果根本沾不上边那全部都是假的。所以这些完全是商业炒作，大家不要上当。

撒贝宁在《开讲啦》说，凡是用钱能够买到的量子产品全是假的，我认为他讲得很对。现在没有一个量子产品能够到广大群众、到千家万户那里去让大家用，还没有到这个时候。这种宣传不实，把量子科学变成玄学了。凡是世界上搞不清的内容全都归到量子纠缠去，好像那样子才能解所有的问题，不是的。量子纠缠是量子世界独有的现象，超过了量子世界，量子纠缠就没有这个概念。所以把人体的一些活动，什么生理的活动什么都归到量子纠缠，这是不对的。