10 月 20 日消息，在中科大校园里，有这样一位院士，他留校任教 56 年，年近耄耋却仍站在科研一线，还自嘲做了几十年的＂少数派＂。 今年 6 月，他所带领的量子计算团队打造出＂量子 U 盘＂，将光信息存储在特殊晶体中 1 个小时 ，被新华社、人民日报等各大媒体转载，登上热搜。 他的学生创办了中国第一家量子计算公司，已经推出了数款量子计算机芯片。 他就是是中国量子光学和量子信息领域的先行者、中科院院士、中科大教授郭光灿 。 ＂锁住＂光的物理学家 4 个月前＂量子 U 盘＂这项研究成果在网上引起了巨大的轰动，也引发了大众对于量子光学的好奇心： 如何将速度每秒 30 万公里的光线存储在固体里？这项技术又对量子计算有哪些帮助？ 带着这些疑问，量子位与郭光灿院士进行了一次对话。 其实，量子 U 盘的原理是用固体原子与光子的作用，当原子被激发后，光的状态就被存储起来 。最后经过一系列操作再将激发原子转化为光信号。 从 1 分钟到 1 小时，时间的延长让许多过去难以想象的物理实验变得可能。 郭光灿向量子位解释道： 当存储时间达到小时级后，就可以将两个相距几百公里天文台拍摄的信息存起来，再用飞机高铁将量子 U 盘运到一处，通过对比能把望远镜分辨率提高上万倍。 在量子计算领域，其用途更是颠覆性的。 如果把＂量子 U 盘＂用于量子计算机，那么我们破解现在最高加密级别 RSA-2048 所需的量子比特数可能会降到几万 。 上世纪 80 年代，量子计算机被首次被提出。物理学家费曼认为量子计算机具有一些经典计算机无法比拟的优势。 之后，就是著名的 Shor 算法出现，这是一种利用量子计算机破解非对称加密的算法，可以让现在的 RSA 公钥体系失效。 简而言之，量子 U 盘的出现，会让破解加密的量子计算机更容易制造出来 。 ▲量子 U 盘登上 Nature 子刊 近年来，国内量子计算、量子通信研究研究如火如荼，量子通信卫星＂发射升空＂，量子技术可谓妇孺皆知。 但是在二十年前却是不大被人们理解的＂少数派＂，这也是郭光灿对自己过去二十多年研究的总结。用二手仪器做量子实验 如今＂量子 U 盘＂几百万的视频播放量，背后却是＂少数派＂二十多年的艰难与孤寂。因为在二三十年前，即使是业内人士也意识不到量子计算的重要性。 1984 年，郭光灿靠着 2000 元的经费办起了中国第一次量子光学会议，90 年代末就开始研究量子信息，并将国外的量子信息教材引入国内。 但理论上的东西变成现实，总要跨越工程技术上巨大的鸿沟。 就像人工可控核聚变一样，量子计算机何时能做成，未来会以何种形式实现与应用，所有人心里都没底。仅当下就有超导电路、离子阱、半导体自旋体系等不同方案。 和谷歌、IBM 不同，国内的量子计算技术以高校和科研机构为主导，经费不足成为郭光灿面临的首要问题 。 郭光灿仍记得，在十几年前，他从学校借来了一笔 800 万的科研经费，对于量子计算来说是杯水车薪。 800 万是做不成的，起码得一个亿，幸好当时有金融危机，美国很多学校把他不用的仪器修修，然后就拿出来卖二手货，所以我 6 台仪器 5 台是二手货买来以后勉强就勉强可以用，我可以自己做芯片，可以自己做实验。 就在那样艰苦条件下，团队坚持了五六年。 然后科技部要搞一个超级 973，我马上提了量子计算机、量子芯片。所以我们就拿到了 1.3 亿的钱，这个是最大的。 经费上的困难解决了，在工程上量子计算机还面临两大困难。 一是如何避免消相干，二是如何精准操控量子世界 。 ＂消相干严重的话，量子计算机它就自动演化，量子性就消失掉了，它的并行运算能力就没了。＂ ＂为了补偿消相干，代价是浪费资源。可能你得用 100 个 1000 个的物理比特编码 1 个逻辑比特。＂ 而量子 U 盘就是一种避免光子消相干的技术 。 人类还不知道如何操控微观世界。在经典世界，人类的操控能力很强，可以发射机器人到火星上采集样品，进行分析，并把分析结果的信号传回地球。但是人类对微观世界的操控能力远未达到这样的水平，这是极大的挑战。 郭光灿极力在用通俗的语言向我们解释这些高深的技术问题。 过去而他也是在教材中向学生向这样通俗解释一个个物理概念，他编写的《光学》教材影响了一大批中国物理人。 而如今量子计算和量子信息已经成为国家重要科技战略，郭光灿先后担任国家科技部 973 项目＂量子通信与量子信息技术＂首席科学家，中国科学院重要方向项目首席科学家，国家基金委创新群体学术带头人，国家科技部中长期规划＂量子调控＂重大项目＂量子通信与量子计算的物理实现＂首席科学家。 今年除了＂量子 U 盘＂外，郭光灿团队的另一篇量子计算研究成果也登上了 Nature：他们利用固态量子存储器和外置纠缠光源，首次实现两个吸收型量子存储器之间的可预报量子纠缠。 更爱用＂量子霸权＂一词 近年来，随着国内外量子计算技术上的重大突破，量子计算已经不再是＂少数派＂。 郭光灿认为，国外的量子计算商业化之路已经如火如荼，科技巨头的大量投入，让我们在短短 5 年内见证了量子计算的 3 大重要历程碑： 1、2016 年初，IBM 5 量子比特的量子计算机云平台上线； 2、2019 年初，IBM 第一台 20 比特商用量子计算机； ▲IBM 开发的商用量子计算机 3、2019 年末，Google 用 53 比特量子计算机实现＂量子霸权＂，用 3 分钟时间算完了经典超级计算机 10 万年才能算出的问题。 相比＂量子优越性＂，郭光灿更喜欢用＂量子霸权＂这一翻译 。因为这不仅意味着在某些算法上量子计算机对经典计算机的制霸，也体现各个国家在量子计算上的激烈竞争。 在技术上，中国正在快速赶超，努力摆脱技术上受制于人的局面，终于也在去年实现了＂量子霸权＂。 今年，中科院开发出为量子计算机提供超低温环境的＂稀释制冷机＂，而过去这种核心机器只能依赖进口。 由于量子计算是各大国必争的科技高峰，核心技术一直对他国封锁，＂稀释制冷机＂的出现标志着量子计算＂卡脖子＂现状正在逐步改善。 你卡我的时候，我可能慢一点，等我们补好了就更快了。我认为没有什么被量子计算这种技术更难更不可克服，都可以解决。 解决＂卡脖子＂只是第一步，郭光灿还有更大的雄心。＂把中国量子计算机卖到国外去＂ 郭光灿认为，中国与世界顶尖的量子计算技术只有 3 年的差距。和某些行业相比，量子计算技术的代差算是很小了。 但令郭光灿忧虑的，不是技术上的差距，而是量子计算的应用生态： 3 年不算长，但是如果人家生态很好，他们指数上升，我们线性上升，距离就拉开了，我们就跟不上了。 但国内目前的现状是： 1、从事硬件研发和生产的公司并不多； 2、量子计算的生态还没有形成，差距会越拉越大。 虽然阿里、华为等先后推出了量子计算平台，但大多数是软件模拟，仅能模拟规模较小的量子计算机，郭光灿认为，最终研究还是要回归到硬件上来。 而国内目前成功商业化的量子计算机硬件公司也仅有量子本源一家。 在量子硬件研发方面，郭光灿认为，谷歌的经验值得借鉴。 当年谷歌不惜重金挖来加州大学圣巴巴拉分校的知名学者 John Martinis，极大加速了谷歌的研发进度。 而这方面，国内企业做得还不够。 国外像 IBM、Google 这样的科技巨头牵头来做，已经形成了量子化学、药物研发等实际应用，只有让其他企业都用起来，才能促进量子计算生态的发展， ＂把中国的量子计算机卖到国外去＂，这是郭光灿的愿景，他认为解决了国产机器的软件生态问题，有了自己的量子操作系统，这一天不会太远。80 岁坚持写量子计算科普 最令郭光灿忧心的是，国内优秀的量子计算人才外流，产业界又缺乏人才流入。 郭光灿说，他的团队很多学生在量子计算上展现出优秀的天赋，但是到国外留学后不得不放弃量子计算专业，令他感到惋惜。 在人才体系建设上，我们可以输血，但更重要的是提升自己的造血能力。 引进人才固然能＂走捷径＂，但培养人才的兴趣是关键，所以郭光灿要让学生爱上量子计算事业。 不仅对团队内的博士生竭尽所能支持，还要让更多＂门外汉＂加入进来。 虽然已年近耄耋，但郭光灿坚持笔耕不辍，还在编写一本量子力学科普读物《颠覆：迎接第二次量子革命 》。该书已经付梓印刷，预计年底前将正式出版。 郭光灿不仅因为他在科研上取得的众多瞩目成就，还因为他一直坚持物理学基础教育，不少高校都在使用郭院士编写的物理学教材。 但是面对量子计算与量子信息科普书籍的匮乏，80 岁的郭光灿决定再次拿起科普育人的笔。 无疑，计算机和人工智能是现在学生选择的热门。 郭光灿希望这本科普读物能让学计算机的人也爱上量子计算，因为这个行业太需要两方面都懂的交叉人才了。 所以在月底即将举办的 2021 中国计算机大会（CNCC）上，郭光灿决定做一场名为《量子计算机发展状况》的报告。 他也是今年 CNCC 特邀的两位中科院院士之一，也是唯一参会的物理学家。 谈到计算机和人工智能，郭光灿笑着说：＂你们熟悉的张钹院士，他是我的福建老乡。＂ 对于国内的物理系学生来说，郭光灿知名不仅因为他在科研上取得的众多瞩目成就，还因为他一直坚持物理学基础教育。 现在随着量子计算的大热，他希望能＂借着东风＂将量子计算介绍给每个人。新书是一次尝试，参加计算机学术会议也是。 不知在今年的 CNCC 上，物理和计算机会碰出怎样的火花。