走向大众生活，量子科技实用化未来可期 ——第181期广州科普大讲坛

11月18日下午,广州科普大讲坛第181期《走向实用化的量子技术》特别直播节目,在广东广播电视台直播间热烈开讲,中山大学物理与天文学院教授、物理与天文学院量子信息和测控团队负责人罗乐,就量子科技的应用与影响、实用化发展方向、广东量子科技发展的现状、粤港湾大湾区能否成为量子信息科技时代的硅谷湾区等方面,给观众和网友们带来了一场内容丰富的知识盛宴,让公众更加深刻地理解了量子力学,打开了量子思维,了解了最新量子科技发展态势与应用。

本期讲坛由广州市科学技术协会、广州日报主办,广州市科学技术普及中心、广东广播电视台珠江经济台等单位承办,在触电APP、粤听APP、新花城APP、广州日报APP、新快报ZAKER等平台同步直播。

【量子技术为我国信息世界带来革命性变化】

今天越来越多人开始讨论量子科技,实际上我们早已处于第二次量子革命阶段。罗教授首先谈到如何理解量子物理学?它有两大特点,首先,任何的量子都是处于一种不确定的叠加状态当中,它的重点不是我们无法确定它的状态,而在于量子本质上就处于一种不确定的状态。第二个特点是,如果你一旦对这个量子系统进行测量的话,那么它的状态就确定了。 打个比方,我们在大楼上行走,作为一个人,是一个经典物体,人在3楼和在4楼,是确定的;但作为一个量子物质,可能处在3楼,也可能同时处在4楼,但是很奇怪的是,如果你打一个电话问一问这个量子物质在哪里,当你问的一瞬间,它的状态马上就确定了,这就是量子世界的一些奇妙之处。

早在20世纪末期,量子革命的新时代就开始了。第一次量子革命把粒子和波的概念联系在一起,而第二次量子革命则是来源于著名物理学家费曼对于波粒二象性的一些前瞻性的思考。罗教授讲到,费曼在上个世纪70年代想象的那台量子计算机,是将量子信息原理作为软件、将对微观量子粒子的测控作为硬件来打破我们对于传统信息处理方式的认知。 简单来说,第二次量子革命实际上是物质和信息在量子的层次上加以统一的描述并且利用,来尽力进入一个所谓物质和信息一体的物理学,从而为信息技术带来新的革命。现今,人类历史上第二次量子革命已全面开启,将诞生一系列量子技术。一些量子技术已经在探测、通信、计算等领域初显身手,并逐步应用于各个领域,这将对现代社会产生深远影响。

【传统信息技术遇瓶颈,量子技术显身手】

现今,信息安全成通信网络一大瓶颈,传统加密算法原则上都可能被破解。目前广泛使用的RSA 512位加密算法早在1999年已被破解,RSA 768位已于2009年被破解……可以说,随着计算能力的发展,信息安全成为了信息技术发展中最大的隐患。其次是基于摩尔定律的传统计算能力发展模式正受到严重制约性,有科学家认为,即使将全世界所有的计算能力叠加,目前仍无法在一年内完成2的80次方或者90次方数据的穷举搜索。

罗乐教授认为,量子信息技术在这两方面则展现出了它的优先性。首先是安全性,由于量子叠加所产生的不确定性特质,令我们可以根据量子状态是否确定来判断知否有人进行信息窃取。如果没有人进行信息窃取,量子肯定处于不确定状态,但一旦有人进行了信息窃取,量子马上就变为确定状态,因此在量子密钥传输过程中窃取者无法做到既偷看又不留下痕迹。罗教授也强调利用量子技术加密因其具有理论上的无条件安全性而备受关注,但是在实际系统中,量子技术也会由于设备的非完美性而存在安全性漏洞也应该给予足够重视。其次是运算能力,量子比特之间的纠缠使得量子计算机能够实现并行计算,随着量子比特数量增加,量子计算能力可呈指数级规模拓展,最终达到“宇”量存储和运算能力。罗乐教授指出,在2019年9月,谷歌公司研制了一个包含53个量子比特的量子芯片,执行一个特定的计算任务用了3分20秒,而对于同样的任务,采用目前最强的超级计算机并且经过理论优化后,完成这项任务也需要2.5天,由此可见量子计算机的运算能力具有极大的潜力。

【量子技术走进大众生活,带来实际应用】

罗乐教授表示量子技术所依赖的物理体系,在自然界中是不存在的,需要在实验室中进行制备。这种人工制造的物力体系具有量子相干态和纠缠态,可以应用于信息的处理和感知等方面。

一是量子通讯。利用微观粒子的量子态或量子纠缠效应等进行密钥或信息传递,基于量子力学原理提供无条件安全的通信保证。

二是量子传感。基于量子态测量,对被测系统的各种物理量执行变换和信息输出的精密测量技术,测量精度、灵敏度和稳定性优势明显。

三是量子计算,以量子比特为基本单元,通过量子态受控演化实现信息编码和计算存储,具有巨大信息携带量和超强并行计算能力。事实上,现在发展最为迅速,推广最为广泛的实用化量子科技就是量子计算技术。比如:量子神经网络与深度学习,道路交通信息通信系统和同时路线最优化算法,量子算法+化学分子研发抗体类、多肽类药物,量子化学应用云服务,金融资产风险管理与分析等等。IBM、华为、大众汽车、谷歌等多家企业机构均已在量子计算技术实用化道路上取得了非凡的成绩。

可以预见,未来量子技术的实用化发展将实现真正惠及每一个百姓,给百姓日常生活带来翻天覆地的变化。

【粤港澳大湾区有望成为我国量子信息产业发展的排头兵】

中山大学有曾经位居于世界第一的超级计算机天河二号,罗教授提到,未来广东的高校、科研院所,以及一些具有发展优势的传统信息产业的企业,必将能够把以前在传统信息产业发展中所积累的优势成功转化为量子信息技术产业发展的优势。量子信息产业的光电技术、激光技术、真空技术、精密机械制造技术、微制备技术、高速电子器件技术等,实际上都依赖于传统产业发展的基础,两者之间密不可分、相互促进。

罗乐教授最后谈到,在中央政治局集体学习中,习总书记提出要下好量子科技发展的先手棋,这是因为量子技术会对整个信息技术产生革命性的影响,将会成为一种非常重要的体现国家竞争力的核心技术。基于广东在人才吸引、智力引进、制度创新方面所具有的独特优势,我们可以相信广东完全可以在量子信息技术产业的发展上成为中国的排头兵,甚至能够引领世界发展的潮流,有信心期待粤港澳大湾区能够成为一个量子湾区,信息科技的下一个硅谷。

作者:苏华丽、张嘉嘉、周秋洪、黄爱文