我研究量子只因興趣，不在乎熱門(mén)與否

王煜

“九章”量子原型機(jī)所展示的光量子干涉實(shí)物圖。

“量子”目前太熱了。從事量子理論研究三十年，擔(dān)任全國(guó)量子力學(xué)研究會(huì)副理事長(zhǎng)十余年，力行量子科普多年……這樣的學(xué)者的量子研究有怎樣的故事？在他眼里，量子計(jì)算與量子通信有怎樣的意義和發(fā)展前景？“量子熱”是好事嗎？復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授施郁對(duì)此進(jìn)行了解答。

量子計(jì)算能代替經(jīng)典計(jì)算嗎？

20年前，施郁開(kāi)始思考關(guān)于通用量子計(jì)算機(jī)的問(wèn)題，他撰寫(xiě)的相關(guān)學(xué)術(shù)論文于2002年發(fā)表。20年后的今天，中國(guó)的“九章”量子計(jì)算原型機(jī)研制成功，引來(lái)國(guó)內(nèi)外許多同行研究者的關(guān)注和贊譽(yù)。量子計(jì)算創(chuàng)始人之一、美國(guó)麻省理工學(xué)院的Peter Shor教授還為此賦詩(shī)一首表示祝賀。

有意思的是，這首詩(shī)的題目叫作“認(rèn)為算術(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)肯定是罪過(guò)的那些人”，是以“正話反說(shuō)”的形式，寫(xiě)給那些懷疑量子計(jì)算的人的。Shor之所以這么寫(xiě)，是因?yàn)閷?duì)量子計(jì)算原型機(jī)的研究，學(xué)界與公眾確實(shí)有不同的聲音，有人認(rèn)為這些研究“夸大其詞、意義不大”。

在施郁看來(lái)，“九章”當(dāng)然是中國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)崒?shí)在在的突破和進(jìn)展，這一點(diǎn)是經(jīng)得起考驗(yàn)的。

他同時(shí)也指出，無(wú)論是2019年谷歌的“懸鈴木”還是2020年中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的“九章”，本質(zhì)上都屬于針對(duì)特定計(jì)算任務(wù)、顯示能力的一種演示裝置，還需要進(jìn)一步發(fā)展，離通用量子計(jì)算機(jī)還差得比較遠(yuǎn)，因而它們只被稱作“原型機(jī)”。

也就是說(shuō)，“懸鈴木”只能求解隨機(jī)線路采樣，“九章”只能用于高斯玻色采樣，它們做不了別的計(jì)算。

它們目前的主要意義，是為了驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，也就是在特定問(wèn)題的計(jì)算能力上，量子計(jì)算要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)經(jīng)典計(jì)算。“九章”的數(shù)據(jù)是：處理高斯玻色取樣問(wèn)題的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬(wàn)億倍，且等效速度比谷歌的“懸鈴木”快100億倍左右。這已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。

用“九章”研制團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜人、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉的話來(lái)說(shuō)：現(xiàn)在的量子計(jì)算原型機(jī)更像是一個(gè)“玩具”，只能在玩某一個(gè)游戲方面擊敗經(jīng)典計(jì)算機(jī)。在施郁看來(lái)，即使是這樣的“玩具”，也是值得開(kāi)發(fā)研究的，因?yàn)榭茖W(xué)家需要通過(guò)這個(gè)過(guò)程進(jìn)一步駕馭量子計(jì)算。

要攻克的難關(guān)是操縱更多的量子比特，而且在這個(gè)過(guò)程中保持它們的量子性質(zhì)。量子狀態(tài)是很脆弱的，要隔絕外界環(huán)境對(duì)它們的干擾，需要先進(jìn)的技術(shù)來(lái)保障。驗(yàn)證量子優(yōu)越性，需要操縱約50到100個(gè)量子比特，2019年谷歌的“懸鈴木”包含53個(gè)超導(dǎo)量子比特，2020年中國(guó)的“九章”操縱了76個(gè)光子。

另一個(gè)有意義的研究方向是在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子計(jì)算，演示量子比特如何對(duì)不同操作做出反應(yīng)，為量子計(jì)算開(kāi)發(fā)出適合特定科學(xué)領(lǐng)域的量子算法。

“這樣的量子算法，現(xiàn)在還是不多的?！笔┯粝颉缎旅裰芸酚浾弑硎?。在他的研究團(tuán)隊(duì)里，有擅長(zhǎng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)編程的，也有擅長(zhǎng)相關(guān)物理領(lǐng)域的。

等到人們能操縱數(shù)百個(gè)量子比特，才可以解決某些經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的實(shí)用問(wèn)題，例如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等。那時(shí)，量子計(jì)算機(jī)才開(kāi)始從“玩具”變成“工具”。這是當(dāng)前全球量子計(jì)算研究團(tuán)隊(duì)的主要任務(wù)，科學(xué)家們希望能在5-10年實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

目前科學(xué)界認(rèn)為量子計(jì)算能解決的實(shí)際問(wèn)題，包括對(duì)密碼的破解、大數(shù)據(jù)搜索、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一些模型構(gòu)建等，就需要操縱至少幾百萬(wàn)個(gè)量子比特才能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要滿足大于99.9%的操縱精度。做到這一步，也就是實(shí)現(xiàn)了可編程的通用量子計(jì)算機(jī)。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，這個(gè)目標(biāo)面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，至少還需要20-30年的時(shí)間來(lái)攻關(guān)。

量子計(jì)算發(fā)展到可以解決實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候，是否會(huì)逐漸替代經(jīng)典計(jì)算？換句話說(shuō)，將來(lái)是否會(huì)由量子計(jì)算“一統(tǒng)天下”？施郁表示：這是不會(huì)發(fā)生的。因?yàn)榱孔佑?jì)算和經(jīng)典計(jì)算各有各的優(yōu)勢(shì)，人們當(dāng)然是選擇在對(duì)應(yīng)的領(lǐng)域更合適、性價(jià)比更好的計(jì)算方式;兩者不是誰(shuí)取代誰(shuí)的關(guān)系，而是互相補(bǔ)充的關(guān)系。那些經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要的時(shí)間太長(zhǎng)、無(wú)法勝任，而量子計(jì)算費(fèi)時(shí)短的計(jì)算領(lǐng)域，才是量子計(jì)算機(jī)的用武之地;而且專用量子計(jì)算比通用量子計(jì)算現(xiàn)實(shí)得多，通用量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)難度要大得多，對(duì)量子比特個(gè)數(shù)、糾錯(cuò)和抗噪聲的要求都更高。因此，量子計(jì)算具備有條件的“優(yōu)越性”，但并沒(méi)有超越一切的“霸權(quán)”。

施郁多年來(lái)一直不遺余力地進(jìn)行量子力學(xué)的科普宣傳。

“量子通信”到底意味著什么？

量子通信，是目前量子科技最“接地氣”的一項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域。如果說(shuō)墨子號(hào)量子通信衛(wèi)星上天、“京滬干線”建成，還是讓人們認(rèn)為量子通信的“絕對(duì)安全”暫時(shí)只應(yīng)用于軍事、金融等高端特定領(lǐng)域的話;那么最近國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商推出的“量子密話”，就把量子通信與普通人的距離拉得更近。

這款移動(dòng)通信產(chǎn)品宣稱將5G通信與量子通信技術(shù)緊密結(jié)合，已成功在安徽試商用，用戶只要更換為專用的安全通話SIM卡，再下載相應(yīng)App就可實(shí)現(xiàn)安全通話，換卡的費(fèi)用在100元以內(nèi)。

這種“量子密話”，是利用量子隨機(jī)數(shù)及量子密鑰分發(fā)機(jī)制來(lái)生成認(rèn)證密鑰及通話密鑰，其密鑰具有“真隨機(jī)性”。

“真隨機(jī)性”是相對(duì)普通加密方式而言的。這些密鑰只能用一次，用戶每次發(fā)起“量子密話”時(shí)，系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)抽取SIM卡內(nèi)的一個(gè)量子密鑰與后臺(tái)建立連接、校驗(yàn)身份信息;認(rèn)證通過(guò)后，再另外實(shí)時(shí)生成一個(gè)新密鑰作為會(huì)話密鑰。認(rèn)證密鑰與會(huì)話密鑰分離，用后會(huì)廢棄。

當(dāng)然，某次通話的密鑰使用后，在理論上經(jīng)過(guò)巨大的演算時(shí)間，有可能被破解;然而下一次通話又采用了新的密鑰，所以后續(xù)仍然能保證安全。如此就實(shí)現(xiàn)了從主叫方手機(jī)到被叫方手機(jī)間的端到端的加密，通話的語(yǔ)音信息即使被其他人獲取到也無(wú)法獲得真實(shí)內(nèi)容，安全性顯著提高。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)展示的“高速量子密鑰生成終端”模型。

不過(guò)，這種安全通話實(shí)現(xiàn)的前提是雙方需要同時(shí)支持該項(xiàng)技術(shù)，并且需要用戶到臨近的服務(wù)站下載自己的專屬密鑰到SIM卡中，如果專屬密鑰用完了，要再去服務(wù)站補(bǔ)充，就像去加油站加油。另外，能進(jìn)行量子安全通話的手機(jī)在基本功能上和普通手機(jī)一樣，在沒(méi)有手機(jī)信號(hào)的情況下，也是無(wú)法通話的。

從電信運(yùn)營(yíng)商推出的“量子密話”就能看出來(lái)，這里的“量子通信”其實(shí)在本質(zhì)上并不是一種通信技術(shù)，而是密鑰分發(fā)的技術(shù)，也就是利用量子本身的特性，生成密鑰，進(jìn)行“量子密鑰分發(fā)”。

目前，有了墨子號(hào)衛(wèi)星和“京滬干線”，中國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的量子通信。中國(guó)量子通信領(lǐng)域研發(fā)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)軍人潘建偉提出：量子通信的發(fā)展目標(biāo)是構(gòu)建全球范圍的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。具體的實(shí)現(xiàn)步驟是：首先通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而通過(guò)中繼器實(shí)現(xiàn)鄰近兩個(gè)城市之間的連接，最終通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)中轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域之間的連接。

按照這樣的路線，量子通信未來(lái)的發(fā)展一方面需要擴(kuò)大量子通信網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋范圍，包括實(shí)現(xiàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫銜接、實(shí)現(xiàn)可支持千公里量級(jí)的量子中繼、發(fā)展下一代可全天時(shí)工作的量子衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等。另一方面，我們需推動(dòng)核心器件的自主研發(fā)、相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的制定和規(guī)?；膽?yīng)用示范。

施郁則從理論上暢想：隨著技術(shù)的進(jìn)步，量子通信也可能不只停留在密鑰分發(fā)的領(lǐng)域。不過(guò)，它在未來(lái)也并不是對(duì)現(xiàn)有通信技術(shù)的完全替代，而是與經(jīng)典通信方式結(jié)合和互補(bǔ)。

從“被鄙視”到“超熱門(mén)”

眼下，量子科技熱得燙手，已被世界各國(guó)列入增強(qiáng)未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展戰(zhàn)略?！艾F(xiàn)在，年輕人來(lái)報(bào)我的研究生學(xué)量子物理、做量子研究，是不需要什么理由的，它是熱門(mén)和潮流?！笔┯粽f(shuō)。但是，當(dāng)年他自身面臨的情況，與如今完全不一樣。

1985年，參加高考的施郁選擇了物理學(xué)專業(yè)，并從此開(kāi)啟了延續(xù)至今的在理論物理尤其是量子物理理論的學(xué)術(shù)之路。其實(shí)，他與量子的結(jié)緣還要追溯到更早?！拔以诟咧械臅r(shí)候，看到當(dāng)時(shí)出版的蘇聯(lián)科學(xué)家寫(xiě)的一本《量子力學(xué)史話》，從此對(duì)量子產(chǎn)生了興趣。這本書(shū)，至今還在我老家的書(shū)架上放著?！笔┯舾嬖V《新民周刊》記者。

眾所周知，愛(ài)因斯坦這位偉大的物理學(xué)家盡管被認(rèn)為是量子力學(xué)理論的創(chuàng)立者之一，但到最后并不接受量子理論是一個(gè)完備的理論。 。1935年，他和波多爾斯基、羅森在美國(guó)《物理學(xué)評(píng)論》（Physical Review）上聯(lián)合發(fā)表題為“能認(rèn)為量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在的描述是完備的嗎”的論文，發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)中存在一種特殊的關(guān)聯(lián)，認(rèn)為這顯示了量子力學(xué)的局限性。后來(lái)另一位偉大的物理學(xué)家薛定諤將這個(gè)特殊關(guān)聯(lián)稱作“量子糾纏”。但是很多物理學(xué)家認(rèn)為這些概念的研究屬于哲學(xué)。

量子力學(xué)是研究微觀世界的“通用語(yǔ)言”，其實(shí)當(dāng)今物理學(xué)的許多分支都與量子理論有密切的聯(lián)系，量子領(lǐng)域的研究和實(shí)踐還需要艱難的攻關(guān)，不是一時(shí)半刻就能出現(xiàn)改變普通人生活的顯著進(jìn)展。

半個(gè)世紀(jì)之后，施郁在高校求學(xué)時(shí)，還有不少資深的物理學(xué)者對(duì)于量子糾纏和量子力學(xué)基礎(chǔ)的研究抱著一種“鄙視”的態(tài)度，他們認(rèn)為那是一種哲學(xué)，不算是物理學(xué)該討論的事。彼時(shí)，量子通信和量子計(jì)算還看不到從理論走向?qū)嵺`的進(jìn)程。

盡管如此，施郁不為所動(dòng)，仍然堅(jiān)持自己的學(xué)習(xí)和研究?！拔耶?dāng)時(shí)沒(méi)有去想過(guò)量子在將來(lái)會(huì)不會(huì)變得熱門(mén)，那不是我在乎的東西。我到現(xiàn)在依然如此認(rèn)為：如果你對(duì)某個(gè)領(lǐng)域感興趣，那就去學(xué)習(xí)它、研究它，不要管它是不是熱門(mén)?！?p>

12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76 個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200秒。這一突破使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。這是光量子干涉示意圖。

在他看來(lái)，如果只是因?yàn)闊衢T(mén)而來(lái)研究，那假如過(guò)些年這股熱潮過(guò)了，是不是這些人就會(huì)脫離量子研究，又轉(zhuǎn)去追逐另一個(gè)“熱點(diǎn)”呢？這種“潮起潮落”在科學(xué)界并不少見(jiàn)，但研究者應(yīng)該保持一顆平常心，冷靜地堅(jiān)守自己的領(lǐng)域。

他說(shuō)：量子力學(xué)是研究微觀世界的“通用語(yǔ)言”，其實(shí)當(dāng)今物理學(xué)的許多分支都與量子理論有密切的聯(lián)系，“量子研究”早已有之;只是在之前，許多學(xué)者不會(huì)強(qiáng)調(diào)自己做的是“量子”研究，而現(xiàn)在很多研究人員把“量子”二字加上去了。

除了堅(jiān)持在量子領(lǐng)域的理論研究和專業(yè)教學(xué)，施郁還投身對(duì)全體學(xué)生和社會(huì)公眾的科普。他連續(xù)七八年在復(fù)旦大學(xué)開(kāi)設(shè)《量子計(jì)算與量子信息》選修課，來(lái)聽(tīng)課的學(xué)生并不局限在物理學(xué)專業(yè)。

2020年新冠疫情期間，他在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)直播講授該課程，更是吸引了外校的學(xué)生、已經(jīng)工作的上班族甚至在國(guó)外學(xué)物理的學(xué)生來(lái)觀看學(xué)習(xí)。為了方便與這些網(wǎng)絡(luò)學(xué)生的交流，施郁還為他們建立了專門(mén)的微信群，在群里分發(fā)資料、答疑解惑?！坝行┥暇W(wǎng)課的觀眾跟我說(shuō)：‘以前不懂的問(wèn)題，看了您的視頻就懂了。不管他是不是我們學(xué)校的學(xué)生，能有這樣的效果，我都很開(kāi)心?！?/p>

他還在“知識(shí)分子”“賽先生”等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)以及《光明日?qǐng)?bào)》等報(bào)刊發(fā)表了大量科普文章，結(jié)合科學(xué)的前沿與歷史，所述內(nèi)容多與量子力學(xué)相關(guān)。從引力波到黑洞，從“揭開(kāi)量子的神秘面紗”到“物理學(xué)家如何開(kāi)啟量子信息學(xué)”，從“愛(ài)因斯坦在上海灘做了些什么”到“愛(ài)因斯坦訪華計(jì)劃為何流產(chǎn)”，從“量子科學(xué)革命”到“量子科技為什么重要”，這些文章嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確又通俗易懂，為廣大受眾歡迎，被許多媒體引用轉(zhuǎn)載。在他看來(lái)，科普要有針對(duì)性，對(duì)于不同人群與內(nèi)容要求需要各有側(cè)重、兼顧科學(xué)準(zhǔn)確性和可讀性，最好在傳播科學(xué)知識(shí)的同時(shí)傳達(dá)科學(xué)思想和精神。

“量子力學(xué)是有意思的事，對(duì)于公眾而言是值得了解的。”不過(guò)，他認(rèn)為，公眾可以更多地了解吃透這個(gè)領(lǐng)域的一些基本概念。“大家都來(lái)關(guān)注量子力學(xué)肯定是件好事，但不要太急切了，可以從更長(zhǎng)的時(shí)間尺度來(lái)觀察這個(gè)領(lǐng)域?！彼f(shuō)，量子領(lǐng)域的研究和實(shí)踐還需要艱難的攻關(guān)，不是一時(shí)半刻就能出現(xiàn)改變普通人生活的顯著進(jìn)展。希望人們能耐心地等待，給科學(xué)家們創(chuàng)造一個(gè)寬松的環(huán)境。