科学家评论各国量子计算实力,你猜最大的喜剧和悲剧是谁? | 科技袁人

  导读

  我们可以确认在量子计算这方面,中国和美国现在是第一集团。

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  本视频发布于2021年2月13日,播放量已超百万

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  袁 岚 峰 :

  大家好,欢迎进入我们的直播,我是科技袁人袁岚峰,西瓜视频的传创作者,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心的副研究员,最近我又增加了俩职务,中国科技大学的科技传播系的副主任,以及中国科学院跟科大合办的中国科学院科学传播研究中心的副主任。今天我来跟我的两位朋友,两位专家来向大家介绍一下量子计算。这两位朋友的我也非常高兴介绍他们,一位是北京理工大学物理学院量子技术中心的尹璋琦教授。

  尹 璋 琦 :

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  大家好,我是量子技术研究中心的尹璋琦。我本人研究量子计算的理论,以及量子精密测量,或者是量子物理的一些基本的量子纠缠等等这样的一些理论问题,以及怎么样在实践中把这个东西给做出来,所以我很想跟做实验的人有一些密切的合作。

  袁 岚 峰 :

  尹璋琦老师本人是做理论的,但是他提出了很多做实验的设想,比如说他提出了我们可以去探测一个病毒,甚至是一个细菌,甚至更大的微生物,它们的量子效应,一个生物的量子效应,这是非常有意思的设想,但是现在已经有不少实验组都在向这个方向前进了。

  另外一个嘉宾是我以前的科大同事,张文卓博士,张文卓老师以前是在科大潘建伟研究组工作,不久之前他是自己出去创业了,开了两家创始的企业。张老师向大家介绍一下。

  张 文 卓 :

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  各位观众大家好,我是张文卓,我曾经就是袁老师的同事,在潘建伟院士组里面从事一些跟量子计算和量子通信相关的工作,大约一年前我已经出来创业,做的就是跟量子通讯相关,应该具体叫量子加密的产业化,希望把这项技术应用到信息安全中,让我们的互联网变得越来越安全。这是我的创始企业主要做的一件事情。同时我们曾经在实验室中积累的一些技术,也希望用在工业控制中,能让我们的国家产业升升级,也能通过我们量子信息的技术背景得到一定的提升。所以感谢袁老师,借此机会跟大家直播分享我们这个主题。

  袁 岚 峰 :

  张文卓有一个非常著名的网名,叫做九维空间,我们平常见到的三维空间,他就是九维空间。如果你去搜一下九维空间,肯定会搜到好多他的文章。比如说2016年8月16号墨子号量子卫星刚刚发射那天,中科院之声就发了一篇很长的漫画,向大家介绍量子通信的原理,你看科学顾问就是九维空间,张文卓博士。(漫画丨5分钟看懂“墨子号”量子卫星的千公里级量子纠缠分发)

  所以我认识这两位,很大程度上也是因为他们做的量子信息方面的科普,我学到了很多,所以今天也是非常高兴,也见到这两位真正的专家来向大家交流。

  今天我们要讨论这个主题是量子计算,这个原因大家肯定都非常清楚。就在2020年的12月4号,整个国际科学界有一个非常轰动的新闻,就是中国的量子计算机九章,才取得一个非常重大的突破,它在国际顶级期刊《Science》上面。

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  论文链接:https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770

  它那个突破到底说的是什么呢?学术语言来说对某一个问题,这个问题叫做高斯玻色子取样,对于这个问题它做得特别特别快,比现有的最强的经典计算机,也就是最强的超级计算机,要快100万亿倍。这是一个以前从来没有达到过的倍数。

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  其实以前有一个类似的是在2019年,谷歌有一个量子计算机叫做悬铃木,它是对另外一个问题叫做随机线路取样,那个是第一次超越了当时的最强的超级计算机,但是那个超越的倍数远远不如我们现在这个九章能够做到,它那个超越到底多少倍,其实也说不清楚。因为后来很快经典计算机也进步了,所以你甚至都搞不清它是不是真的超越经典计算机。

  但我们九章这个真的是远远的超越经典计算机,至少是现在你还没有看到任何办法来缩小这个差距。

  所以今天我们就先给大家好好介绍一下这个九章到底是什么,因为它出现之后也有不少所谓质疑的声音,其实这个质疑的声音大部分是因为看不懂,所以他们会产生种种奇怪的想法。

  所以我们就来讨论第一个话题,中国这个量子计算机叫九章,美国那个量子计算机叫做悬铃木。它们相对比到底怎么样?第一个问题就是全世界量子计算的发展的大图景究竟是怎么样的?这方面的玩家到底有谁呢?有中国、美国、日本、欧盟等等,其实全世界所有的主要的这些科技国家,大家都在花大力气去发展量子计算。

  但凡是任何一个对现在的前沿科技有所了解的人,你肯定听过量子计算这个词,而且你会听到它是一个颠覆性的技术,大家都承认它是一个未来极其极其关键的技术,这到底是个什么样的技术?各个国家在这方面的发展态势怎么样?请两位老师给我们介绍一下。

  尹 璋 琦 :

  行,我先说两句。按我的理解,量子计算机的这方面发展从理论上开始至少有40年。但是真正从实验上的重要的进展,大概有个20多年这样的一个真正意义上的实验上的重大投入。

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  但是在20多年的实验上的重大投入中,前十几年大概比如说2010年之前,大部分都还是在实验室阶段,或者是说大学里面这样相对比较基础的阶段。到了2010年,特别是2015年之后,以美国的什么谷歌、IBM,还有像微软,中国像什么华为、腾讯、阿里巴巴、百度等等这些大的公司也都投入进来了,进入了量子计算这个领域。所以整个领域在过去,因为这个公司的投入之后,它的资源跟大学不一样,所以过去这5年、10年这方面的进展就非常的快速。而且已经有一个非常明晰的路线图,不光是进展很快,而且未来的5年、10年或者15年的路线图也都比较清晰。投入的话,这5年的投入相比以前都是有10倍甚至几十倍的这样的增长,这是我的理解,所以一下子会看到美国谷歌的悬铃木,包括中国的九章等等一些原型机重要的实验突破的出现。

  袁 岚 峰 :

  这么说可以说是一个非常有趣的现象。这个量子计算的能力是在指数增长,我们对量子计算的投入也是在指数增长是吧?但是由于指数增长的投入,扶植产生出来一个指数增长的这么一个能力。

  尹 璋 琦 :

  反正投入增加了十倍是有的。对。

  张 文 卓 :

  好的,我想从产业的角度补充两句。因为我们知道实际上计算机就是我们现在用的经典计算机,它真正的取得一个突破,一个大规模的应用,它是得益于半导体、晶体管到集成电路的出现。

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  那么晶体管和集成电路都是物理学家发明的,晶体管是三位得诺贝尔物理学奖的人在贝尔实验室发明了晶体管之后,然后其中一位他们的组长也就是肖克莱,他回到了加州老家,他就成立了自己的半导体公司,他招募了非常多的非常出色的在全国拿到固体物理学博士学位的年轻人,去来继续开发他的晶体管。

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  但是这几个年轻人跟肖克莱工作上相处得不太愉快。于是其中8位单独出来成立了仙童半导体,这8位的领头者叫罗伯特·诺伊斯,还有戈登·摩尔这两个人,这两个人就后来又陆续成立了英特尔公司,这是它的创始人。那么戈登·摩尔就是提出摩尔定律的人,那么罗伯特·诺伊斯他是跟决策周期的基尔比同样是分享了集成电路发明人的,但是诺伊斯很可惜,他1990年就去世了,不然的话他也应该跟基尔比一起拿诺贝尔奖。

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  从经典计算的角度来讲,它是器件上源自于我们固体物理学的发现。其实说白了,就是用量子力学研究了半导体的原理,然后才能陆续的去做这些器件,然后才有集成电路,也就是现在我们所说的芯片。

  量子计算机既然同时也要延续这个过程。

  两次可以相比较的话,我们可以从更宏观的一个历史比较,就是人类三次科技革命,前两次都是工业革命,第三次是信息革命,第四次非常有可能就是信息革命,这个信息革命现在来看最大的候选者,就是最可能的就是量子信息作为这次革命的主角,那么量子计算就是量子信息中的最大的亮点。自然而然它也是从物理学家的各种发现和创造开始,然后陆续的深入到产业界,然后获得了现在整个计算机行业的持续的关注。所以这一切发生,它都是有历史原因的,并不是突如其来的一个东西。这么多年也就是刚才尹璋琦说的,从概念提出到现在产业绷紧,这都是在我看来应该是一个历史的必然,只不过是发生的或早或晚,这样一个区别。

  袁 岚 峰 :

  关于各个国家之间现在量子计算的水平的比较,你们两位能不能现在提供一下?

  尹 璋 琦 :

  我觉得从技术积累来说,肯定还是美国的积累,相对来说是更强大一些,从最开始的提出包括最开始一些理论或者说技术的一些积累,基本上都是源自美国,包括比如说是希尔算法、 Group算法,以及后面的现在大家用得很多的一些器件,比如说超导的芯片或者是一字镜的这样的一些量子计算的的一些技术,源头几乎都是在美国的。

  但是中国的话,按我理解,中国是跟美国开展这方面的学术合作,比如说中国的学生到美国去学习,或者是到欧洲去学习等等,然后回来之后把这些技术也都能够综合起来,建立了自己独立的这样的实验室。所以这方面按我的理解应该是紧跟着美国在做这方面。

  从技术这个层面来说,像欧洲和日本,相对在量子计算这么一个方面来说,它都是有短板,或者说落后的比较远一点。从它的技术发展来说,比如说日本很典型,他一度在超导量子计算中,他大概是有蛮大的优势的,大概在十几二十年前,但是他在黎明曙光到来之前,在2010年左右,他们国内最顶尖的一个超导量子计算的实验组给解散了,导致他们的这方面的积累直接就此就付诸东流,那些人全都散了。是的。

  袁 岚 峰 :

  这些人有没有散到中国来,我们这边有没有请来几个人?

  尹 璋 琦 :

  当时是有一些中国的老师,我知道是在日本学习的,后来也回来了。但是他们那些组散了之后,这些老师等了几年,比如说2015年、2016年之后,日本人觉得这个方向太重要,又把这个组里面留在日本的人,他又重新把他组织起来,但是就一下子这几年的功夫咱就差远了。

  袁 岚 峰 :

  这是一个路遥知马力,日久见人心,一个国家在科技上的投入,如果没有韧劲,这个是要吃大亏的。

  尹 璋 琦 :

  对的,是的。

  张 文 卓 :

  没错。从我一个观点来看,美国它做的最领先的是超导量子计算的方案。

  这个超导方案因为本身美国在半导体工艺上一直处于世界领先的一个状态,无论是英特尔,包括其他这些等等的企业,无论设计能力还是制造能力上,它能把住整个半导体的从材料到工艺的命脉。

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  其实超导方案他可以研习很多半导体未加工的工艺,所以一方面是超导这个方案,在学术界曾经一度认为它是由于其他各个方案来实现量子计算机,因为它原则上可以做到可扩展性,比其他的方案都好。

  另一方面是美国这方面的一个技术积累,能让他们更容易在这个方向取得优势、取得突破。

  另一方面,中国的量子计算机实际上这个九章,这当然了,是我原来同事,也是在潘建伟院士组里的陆朝阳教授,他领导的小组做出了这一台量子计算机。

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  因为陆老师团队就是从陆老师的学生时代一直到他带学生,他作为教授整个是跨越了10多年,接近20年的时光,这段时间一直在多光子这个领域处于特别强的地位。所以目前这个九章它用的完全是一个光子的方案,是区别于超导方案的,也就是用的信息的载体不同,超导方案用的实际上还是电子,是微电流。光学方案用的就是光子,自然而然因为一直处于领先,处于一个技术的高出其他的研究组一级。所以他们最先做出了这么多比特的光子的玻色采样算法,通过这个实验装置,这是情理之中的,也是一直意料之中的事情。

  这个方案在我来看,它可能还有另外一个意义,虽然我们半导体工艺上现在的确实话实说,确实还落后于美国这么一块,但是如果光子方案在量子计算机的竞争中有它自己独到的地方,有可能在竞争中取得起码是某些算法的一些优势的话,这个方面从基本的器件的程度上,我们就跟美国之间不会有差异了,因为这样看都是从零开始,开始光子芯片这个东西,当然很多年前IBM有过用光学方法做经典计算机,做逻辑文,但是因为光的干涉不可能把线路做得很小,所以它在跟电子、集成电路竞争中就失败了,一直没有用开。

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  但是如果光量子计算将来有这个方向,反向来驱动大家去做光学上的芯片,把它变成一个产业,实际上这个地方中国确实有一个同一起跑线的机会去跟美国竞争。这方面觉得也是九章另外的一个意义。当然我是纯从产业链的角度来分析这个问题。

  尹 璋 琦 :

  对,我觉得文卓说的蛮对的,确实这方面我们这边有一个独门的绝招,国外的都比不过。当然这方面,我的理解是从光学做量子计算,可能确实还要迈过好几个非常重要的门槛才行。

  但是它的好处也确实非常明显,因为用光来做量子计算,除了接收光子测量这一端之外,中间的运算过程基本上都是不需要特别严苛的,比如说低温、真空,这些环境都是不需要的。

  而我们其他的像超导的计算,至少要真空,甚至还得要超低温等等这些特别严苛的一些技术条件,对于它的实际应用也还是有很大的限制的。所以如果光量子计算能够在某些场景下能用起来,我觉得确实是应用点上非常光明的一条路。从这个角度来说,它不需要低温,也不需要真空。

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  张 文 卓 :

  对,相对来说会更节省资源。

  袁 岚 峰 :

  刚才几位老师还提到了,量子计算有不同的技术路线,就大家提到了超导,就是美国的悬铃木,它用的就是超导技术路线。

  我们中国主攻的光学,这也是一条路线。

  潘建伟研究组在过去的这10多年来,一直是世界上在光学方向上的整个世界的领先者,你会发现他们把光学到处有,不但是用来处理量子计算,也做用来做量子通信。

  当然了通信天然的肯定是用光更方便,所以他们用光学路线来做量子计算,也有一个天然的好处,就是说它更加容易跟量子通信对接。

  这也是尹老师在他专业的评论里面指出来的。它不再是常温常压就可以用,而且它非常容易就跟量子通信网络无缝融合。

  但是除了超导和光之外,还有其他技术路线,比方说冷原子,比方说离子阱,比方说核磁共振,比方说金刚石色心。

  你如果是一个专业人士,你会发现其实每一条技术线都在努力的刷自己存在感,它不断的更新自己记录。现在真正突破了第一个临界线,实现的量子优越性,超越了最强的计算机的,目前只有这俩,就是超导和光。

  但是可能过不了多久,我们就会看到其他的那些技术路线也在纷纷的撞线了。比方说过不了多久,你会听到说离子阱我们也突破了,又过一阵你会听到冷原子我们也突破了,又过一阵又听到金刚石色心也突破了,这都是有可能的。每一个技术路线它都会必经之路,它必须要先经过这一步的。

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  所以量子计算它是一个非常有趣的状态,但是处在一个百舸争流,每一条技术路线它都在努力向前进。所以并不是说美国就把自己固定在超导上了,中国就把自己固定在光学上了,并不是这样,而是说所有人都在尝试所有技术路线。比如说单单一个潘建伟的研究组,他里面就是既有人做光学的,也有人做超导。

  比方说这支张文卓老师同事朱晓波教授,他就是在做超导的,他们的目标就是在最近一段时间里面,他们可能就要实现60个量子比特的超导的量子计算,就要达到跟谷歌相同的水平,比它们稍微再高一点,他们也很快就要撞线了。

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  所以你很快就会看到类似这样的新闻。

  所以这是一个非常有趣的状态,但是很明显现在最先撞线的两个就是中国和美国。所以我们可以确认在量子计算这方面,中国和美国现在是第一集团,而且如果单论对于某一个问题的加速的倍数的话,肯定是“九章”是加速最多的,因为它一下加速了100万亿倍,这是以前从来没有做到过的,在以前是连“1”都没有达到。

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