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郭光燦院士:要在量子爭霸中勝出,靠游擊戰是不行的

2019/12/30 9:05:23來源:作者:章劍鋒、崔玉賢責編:懶貓評論:

偷窥438 电影郭光燦院士是一個健談的人,而且語氣充沛,嗓門敞亮,尤其是在聊他的專業——量子科學的時候,對《科學大師》記者的問題來者不拒,照單全收。

這位77歲的老人,有不少值得說道的地方。

偷窥438 电影在中國的量子科研領域,郭光燦具有不小的代表性,他屬于量子研究的開拓者和領軍科學家之一。2003年當選為中國科學院院士,這是中國量子科學領域產生的第一批院士,當時總共才選出了兩位。

在量子領域,郭光燦做了很多事情,用大白話來講,是極能“折騰”的一位科學家。

偷窥438 电影1980年代初,他開始轉向量子光學,1981年公派出國訪學,后來有一次參加在美國羅切斯特大學召開的國際光學會議時,郭光燦深感中國在這個方向落后太多,人家已經搞了二十年,基本理論都弄清楚了,國內學術界卻還在質疑量子光學發展有無意義,采取閉門拒之的態度。郭光燦說,他當時的一個想法就想著一定要回國把量子光學發展起來。

偷窥438 电影1984年回國,郭光燦的一個舉動就是組織召開首屆全國量子光學會議,沒有錢,他向學校爭取了兩千元經費。不能自由辦會,他就游說中國光學學會,搭一個便車,掛靠在他們的學術會議上開。為了發展量子科研,他甚至還給著名科學家錢學森寫信,爭取錢老的支持和聲援。此后,他又以一人之力,在國內率先編輯出版了中國第一本《量子光學》教材,開設了第一門《量子信息》課程。

郭光燦喜歡用坐了20年冷板凳、很孤獨等話來形喻自己的科研歷程,選擇在當時還是冷門的量子科學,沒有人搭理,也就意味著沒有研究經費,揭不開鍋。在老朋友、中科院物理所研究員吳令安眼里,郭光燦是一個頭腦活絡的人,為了發展科研,很會跑門路。他早年曾找過兩類十分要害的機構尋求合作,一類是銀行,一類是部隊,認為量子信息在這種機構當中會有市場,結果有得有失,銀行沒談成,部隊上的業務關系倒是建立了。

偷窥438 电影郭光燦記得,自己新創建的校級開放實驗室破格參加中科院信息領域的院重點實驗室的評估,被評為第一名,獲每年350萬元經費的支持,很快地被正式批準為中科院量子信息重點實驗室(據該實驗室官方資料:這是中國量子信息領域第一個省部級重點實驗室)。得到資助后,郭光燦第一個選擇是搞量子密碼研究,因為他判斷這對國家有用,以此再拿量子密碼去向相關機構繼續化緣要錢,拿到新的經費之后,他開始重點布局與量子密碼相關但又別有天地的量子計算機科研,盡管當時還沒有人重視這個。就這樣把量子計算機研究開展起來了。

偷窥438 电影他說,“否則我根本沒法活。”

有趣的是,在搞量子科研的過程中,郭光燦還被指斥是在搞偽科學,在他們中國科技大學本校內,就有一些物理系的老教授曾經聯名致信校長,對郭光燦的科研工作加以反對和批評。

偷窥438 电影郭光燦的坎坷,在2001年得到舒緩。這一年,經過四次申請碰壁之后,說服了幾個關鍵的委員,郭光燦從科技部“973”項目中申請到了一筆2500萬元的研究經費,中國973項目第一個“量子通信和量子信息技術”課題于此時也正式成立,郭光燦擔任首席科學家。

偷窥438 电影《科學大師》記者注意到,在這個課題組名單中,除了領銜的郭光燦,還有當今另外兩位量子科學領域的院士:一位是1980年代與郭光燦同時在美國訪學的山西大學教授彭堃墀,一位是如今在量子領域炙手可熱的科學家潘建偉。他們當年也在其中分別擔任了課題負責人。

偷窥438 电影也就是從那時候開始,隨著全球形勢的變化遷移,量子科學逐漸變得熱門起來,人們開始發現和正視它包含著的可被挖掘的潛在價值點。現在這已經是一項國際間的科研競賽,量子科學也被中國政府放置到了國家科研戰略需要重攻突破的高度。

但《科學大師》記者在采訪郭光燦院士之后也發現,在量子科學家之間,實際上對中國量子科研的發展方向和路徑仍存在一些分歧。量子通信當前無疑是輿論矚目的明星項目,中國也被認為在這方面是走在了國際前列,具有領先性。不過郭光燦也提出,真正應該重攻的是量子計算機,而不是量子通信。他很擔心在量子科研方面中國出現路徑選擇失誤。

“其他的量子技術也有用,也會逐步用到社會上,但和量子計算機相比,沒有顛覆性的作用,”郭光燦說,“我現在不是擔心我們實驗室的事,我擔心我們國家的方向要是偏了,我們就貽誤了一個顛覆性新技術的發展。”

10月23日,谷歌公司宣稱,他們用時13年,已經在量子計算器上實現了“量子霸權”(通俗來理解,即指量子計算能力和效率上可以做到絕對碾壓傳統計算機)。據報道,他們的量子系統只用了200秒完成一個計算,而同樣的計算用當今最強大的超級計算機Summit執行,需要約10000年(據新智元等媒體)。消息一經披露,學界震動,中國的量子科學家也對此抱以肯定和歡迎的態度,認為這是“新技術時代即將到來的曙光”(量子科學家潘建偉語)。這種形勢,似乎也應證著郭光燦對于量子計算機重要性的看法。

為量子科研奔忙了大半生的郭光燦,孩子卻沒有跟著一塊進入物理專業,而是另往計算機軟件專業的領域另謀發展去了。因為打小就看到當爹的“挑燈夜讀”的場景,留下了一種心理暗示。

“很小的時候,半夜冷得要死,合肥冬天又沒有暖氣,看我還在看書,還在那兒凍著,他說我不要像我爸那樣累,搞物理太辛苦了。我也不強求他。”郭光燦說。他這一代人,成長期中剛好遇到“文革”,有十年時間沒能繼續學習,等到運動結束,一種心態就是自我催促著趕緊補課,搶回時間。他說自己是趕上時代的尾巴,拼命抓住了機會,而和他同時代的很多人,在時代浪潮卷裹中,沉沒下去的、不成功的也有很多,“我二十二歲大學畢業,耽誤了十年,正是最黃金的時候”。

一,“量子霸權”不會很快實現

偷窥438 电影《科學大師》:谷歌近期公開宣稱他們已經實現“量子霸權”了,您作為量子科學家,怎么看這個事?

郭光燦:谷歌研發的這個量子計算機,是在很短時間里可以針對性地解決那樣一個相應的問題,而不可能在所有時間里處理任何問題都行,他們還不能實現常態化的、長時間的運算能力,相干時間就那么短,所以有爭議,人家說你這到底是不是霸權?你解決這個問題的能力超過我,但我解決別的問題能力可以超過你。不過雖然有這種爭議,但它證明起碼量子計算機的科研是往前走了,這是一個進展。

量子計算機的實現是這樣的,從原型機研發上來講,第一步就是要把它做成儀器器件,可以移動,你要買,我可以賣給你,(這臺儀器)里面什么都有,硬件、軟件、操作系統全包在一塊了,不是(分)散在實驗室里。(能做到這一步)這個已經不容易,因為從實驗室原理演示成功,到能做成可商用的這種成型器件,中間要解決好多技術、工程問題,這中間很復雜的。他們能做到這一步,我認為是很重要的進展。很多人看不到,認為這有什么?大家不知道,他們已經做成器件了,是個量子處理器了。然后再往下走實現操控100個比特,我估計就夠了,就實現量子霸權了。他們現在是能操控53個比特,我認為還差點兒。

我認為現是量子計算機已經走到第一步和第二步之間,但要到通用機,還非常遠,非常困難。

《科學大師》:您能給一個可預計的周期么,可能還需要多少時間?

郭光燦:有人估計是十五年,但我認為說不準,有可能快也有可能慢,但我認為幾十年內是可以實現的。

偷窥438 电影這里面有幾個問題要突破,第一個是在宏觀世界要使微觀的量子性保持下去是很難的。第二個我要操控這個量子世界,用經典工具去操控,我不知道怎么操控更好。

偷窥438 电影現在我們人類操控一個量子比特,就得諾貝爾獎了,如果我能操控一百萬個,你同時又能很精確操控每一個,那談何容易啊?

偷窥438 电影但人在經典世界的操控,也不是一下子就會的,我們剛開始用,所以早晚會慢慢提高的,早晚會達到的,這是我堅信的原因。我的底氣在于我認為量子力學是對的,都被科學驗證了,一百多年來誰都想挑毛病,都挑不出來。(我認為)只是技術做不到,人類腦袋是夠用的,技術也是可以提高的。現在大家都在探路,看誰聰明,誰找到點子,誰找到新技術。

二,“誰先把量子計算機搞出來,誰就占了制高點”

《科學大師》:我們國家的量子計算機科研水平怎么樣,和他們相比的話?

偷窥438 电影郭光燦:我們可以講在這一塊是走在國際第一梯隊,美國的量子計算機的研究信息和進展是公開的,相比較而言,我們的量子計算機研究是落后了他們五年,在這一點上實事求是,我們也不忽悠。我們還沒有搞出量子計算機。

偷窥438 电影第一梯隊指的是研究水平,我們在國際學術界不斷有新的研究文章出來,而且有些很重要,也有不少課題質量很高,各方面理論都是做得很前面,能夠與國際上一流的機構進行對話。

偷窥438 电影像我們實驗室,最開始我們是到國外學習,派學生到那他們那兒工作,學到技術再回來。現在完全不一樣了,現在國外學者到我們實驗室來做研究,他們找不到像我們實驗室這么高水平的實驗裝置,他們想搞理論研究,跟我們一討論,馬上做出世界一流的成果發表在國際刊物上。我們實驗室有好幾個小組,以色列、美國、歐洲的人都有,這個就倒過來了。

偷窥438 电影我早說了,量子計算機是最重要的,十年前我就開始鼓吹這個,拿了錢我們也在做,但是總的國家投入還是很少,更多是投到了別的量子項目中去了。我們國家要是五年前就開始做,就不至于會輸他們的,美國是2012年之后開始大搞起來,他看到有希望了,他就投入了。

偷窥438 电影現在的情況就是這樣,國際上也都起來了,主流的量子計算機你不投入不大力發展,組織不好,那我們整個還是要落后。

我的一個看法是,最后在這個領域里能不能在國際上有位子?有競爭力的量子計算機是不是能在我們國家誕生,使我們不需要再向美國買,不需要像電子計算機的芯片,受人家的控制?如果到時我們不受人家控制,我們能獨立了,我認為就是成功的。如果做不到這一點,我們就失敗了,我擔心的是這個。我已經為這個領域奮斗了一生,我擔心的是最后沒達到,讓別的國家拿走了,搶跑了。

《科學大師》:您不擔心別人會說,哦,郭院士是因為他自己在搞這個,所以當然要極力強調量子計算機的重要性了。

偷窥438 电影郭光燦:不,其他的量子科研項目,我也搞,我搞得比別人不差,我實驗室下面有八個研究室,量子計算機是其中一個而已,還不是人最多的,像量子通信、量子密碼、量子傳感還有量子基礎研究,我都有做,布局得比較全面。但我始終認為,最重要的就是量子計算機,其他的量子項目也不是不重要,我們量子密碼也搞了二十年了,也可以用,也可以為國家做貢獻,但它的影響度絕對不如量子計算機。

我追求的目標就是在中國把量子計算機搞起來,希望在國際上領先,這是關系到國際未來信息技術競爭的成敗。我可以講,誰先把量子計算機搞出來,誰就占了制高點,就是一個強國的標志。它確實無人可以超越,所以我認為這個才是一個時代的標志。

《科學大師》:從實際社會生活出發,這個量子計算機研制出來,對社會生產力會帶來什么改變?

偷窥438 电影郭光燦:比如我處理數據快了,原來是做不到的,比如制藥,你半年才搞一個,我一個月或幾天就給你模擬好了,你制藥速度不是更快、更準確了嗎?所以整個生產力會大大提高,因為計算才是整個生產力的工具嘛,是很重要的工具。

三,中國如何做才能在量子計算上取得優勢?

《科學大師》:既然量子計算很重要,大家在意識上也在不斷提升,您覺得中國會有機會取得突破么?

郭光燦:很難講,中國人如果就是以論文為導向,不管其他,很懸。這種技術上的突破,要慢工去做,要有工匠精神,要追求很細致的鉆研,你才有積累,才有突破。如果你說我反正就要出篇好文章,我就找哪個最能、最容易出文章的(方向)去做,這樣你永遠做不了。現在科學界太浮躁,太功利了,你多發表幾篇文章,文章數量很多,引用率很高,但最后技術(還)是人家的,專利(還)是人家的,你還向人家買東西,我們國家這樣不可能是強國。

偷窥438 电影為什么我說美國發展得那么快,他們是公司投入,公司不是以發表文章為導向,他是以占領市場為導向。量子計算機是他的,量子算法也是他的,量子軟件也是他的,你帶著他的軟件,量子操控系統你也帶著他的,你要等他把整個高地都占完了,你打不過(他了)。

偷窥438 电影包括美國自己的公司也相互競爭,不光是跟別的國家。美國政府也希望他們互補,所以白宮曾經把幾個公司召集起來開會,說你們不要太競爭,我們還要整個國家來對外競爭。那我們中國人傻乎乎的,只是還在那兒搞文章,我們肯定不如人家的,應該做有競爭能力的體現國家實力的這種技術和器件,以這種研究為目的才行。如果你說我研究這個對我提職稱沒用,我提不了教授、我當不優青、當不了杰青、當不了院士,那完了。

當然,國家起碼在政策上也要鼓勵這些人,給這些人相應的待遇和職稱,讓他們全力以付來做這件事,國家要看到這個現實。我認為這是雙方面的。

偷窥438 电影《科學大師》:您之前提出要用兩彈一星的精神來做量子科研,為什么這樣主張?

郭光燦:中國當年搞兩彈一星時比較窮,力量不夠,經費也不夠,怎么跟美國競爭啊?我舉國家的力量來干這個事,一定能搞出來。個人小打小鬧一定搞不出來。

現在放到量子科學上我還這么講,量子計算機要不這么做,我們還是搞不過人家的,他們大公司什么都有,我們光靠實驗室、大學、研究所單打獨斗是不可能的,我們的公司也沒有美國的好和大,實力也不強。

偷窥438 电影還是要有一個制度優勢。一是在這個領域里要以目標為導向,改變以論文為導向的做法,我就要把量子計算機做出來,實現可應用的目標。量子計算機先搞,不要追求發表什么文章,基礎研究你發表文章可以,但這種對國家有重要意義的,而且已經證明了的,目標明確,你就探索去。

第二是隊伍的問題,必須整合。量子計算機不是一個方面,方方面面的人都有,硬件、軟件、材料、操控系統等等,要把做這些方面的最強的隊伍整合起來,大家分工,你做這個我做那個。這樣做,才有可能拉近和美國的距離,否則你沒法跟他們競爭。

國家要做這件事,想辦法給他們錢,把最強的力量組織起來,這個要組織大部隊,不是游擊戰,尤其是現在已經落后人家了,要趕過人家更難。不僅僅是經費的問題,更重要是組織的問題。

四,別人是卡不住我們脖子的

《科學大師》:我們之前采訪也了解到,由于國際形勢的變化,我們國家的量子科學家在被人卡脖子,某些方面被禁運。量子科學這一塊,能怎么卡我們?

郭光燦:卡脖子是在底層,就是材料這一塊,另外搞實驗你得有儀器,做實驗的元器件也被卡。以前外部環境好的時候,我們這些底層的東西沒有被卡,我們就拿錢買來做實驗就行了。現在他們在儀器上卡我們,尤其是關鍵儀器卡我們,我們就自己做,雖然開始我們做慢點兒,性能上不一定最優,但多少年后總有我自己能做出來的。

問題是,當我們的儀器自己能做了,他又在儀器所用的材料上卡你了,導致我們就又要從原材料做起,所以卡脖子是在這一層。這也不光是在量子上面,幾乎所有領域都面臨這樣的情況,是普遍的,包括互聯網領域都這樣。

我們(量子科研)用的原材料,主要是硅,特殊晶體,對這種材料要求的純度非常高,還有其他一些材料。我們本來就應該發展這些東西的,但以前國內人沒有這個意識,就靠從外面買,覺得買來就行,所以導致做基礎材料的人很少,而且又不容易出成果,周期又長,他又發表不了文章評職稱,沒有太多人愿意做這個。中興事件以后,國家重視了,只要是卡脖子的技術,什么卡脖子,我得趕快做起來,我得扶持。

偷窥438 电影但是現在反過來又出現一個現象,什么技術都講自己被卡脖子,實際上有些不是。現在國內這些人就是混水摸魚,你不是希望扶持被卡脖子的嘛,我就什么都說是卡脖子的,突出自己的重要性,這個風氣也很不好。

偷窥438 电影《科學大師》:那這個卡脖子的問題豈不是很棘手,我們能應對得了么?

郭光燦:卡不住我們的,我最多就是做慢一點,還是能做出來的。材料上也是可以變通的,還不至于像中興那樣,我的芯片完全靠他供給,他一斷貨我就生產不出來了,量子科研不會到這個地步。

偷窥438 电影人家不賣東西給我們,是會有影響,但現在我們基本大的儀器都買齊了,受影響的是材料,最關鍵的是那個材料,但我們暫時還有之前買來的備用的,另外從美國以外有些也能找到,總還有活路。

我們國內開始自己做,做到一半以后達到要求了,慢慢就過了這個瓶頸,我們就可以強大起來。像華為一樣的,主要的東西我自己有,你卡我沒用。

五,競爭力的指標之一就看掌不掌握核心專利

《科學大師》:聽您這么講,我們的科學家還是有底氣的。

偷窥438 电影郭光燦:我這邊2006年就開始做(量子計算科研)了,到2011年才拿到國家給的一筆大錢,真正開始做大的實驗。我們的專利在國際上排名第十二,是國內唯一一家進前二十的,就是量子計算機的專利。IBM有一個小組專門關注我們實驗室的進展,我們一有進展,他們馬上報道。

我們希望在世界第一梯隊中能有自己的知識產權和核心專利,哪怕你做出量子計算機,我也做出量子計算機,我有核心專利,你也有,我們可以互相交換,不至于說我一點都沒有,全部讓人掌握住,那我就完了。

我說的是核心專利,不是一般專利,就是你要做量子計算機,我這個專利是繞不過去的,這才是核心專利,他就得買你的,所以現在是比拼誰拿到的核心專利最多。如果雙方都有核心專利,那我們就相互交換吧,我們就討價還價,競爭就在這兒。

像我們所做的北京到天津的量子密碼穩定性,這個專利我認為就是最重要的,它是國際專利,哪個國家都需要我們的專利,你繞不過去,一定要向我買。

競爭不一定是你獨霸天下,把所有人都打死,但人家做在前面,把所有的專利都拿走了,你后面跟著他,你就掌握不了多少核心專利,這就是我擔心的東西。

六,量子性不穩定的問題已有求解辦法

《科學大師》:我們知道,量子是一種很難捉摸的東西,它是不穩定的,就是您前面也提到的相干性的問題,很容易受外部環境影響,這個是怎么回事?

偷窥438 电影郭光燦:十年前我做天津和北京的兩地試驗(指在量子密碼研究中,2004年郭光燦團隊在原網通公司的商用光纖上實現從北京到天津之間125公里單向量子密鑰傳輸),就是要解決一個關鍵技術問題,這是我們一個專利。

我們在實驗室里做,發現相干性非常不穩定,一個光子你要讓它保持相干性很難,動一動就死掉了,敲一敲桌子它就丟了,這叫穩定性問題。你實驗室里都不穩定,要拿到郊區普通的光纖里,經受風吹雨打,那個影響更大,所以要解決穩定性問題,是要絕對穩定的,你拿到哪兒應用都是穩定的才可以。

科學大師:現在還無法解決相干性穩定的問題嗎?

偷窥438 电影郭光燦:目前看,相干性想要常態化地保持下去,在宏觀世界里還不行。不過能解決,物理學家已經提出可以解決的理論方案,叫做糾錯容錯編碼,就是指在宏觀領域里把相干性保持到足夠長,但技術上要實現非常困難。你對量子比特操控的能力很差,這就麻煩了,這是技術問題。這些問題不解決,量子計算機永遠做不出來。

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