當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，科技創(chuàng)新是其中的一個(gè)關(guān)鍵變量。
習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，要充分認(rèn)識(shí)推動(dòng)量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強(qiáng)量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢(shì)，下好先手棋。
站在面向“十四五”發(fā)展的重要機(jī)遇期，我們應(yīng)該如何下好量子科技發(fā)展的先手棋呢？本期“大咖有約”邀請(qǐng)到量子光學(xué)專家、浙江大學(xué)物理學(xué)系朱詩(shī)堯院士，與我們一起探討量子前沿領(lǐng)域發(fā)展。
能否搶占制高點(diǎn)意味著在下一輪科技革命競(jìng)爭(zhēng)中能否勝出
量子科技主要是利用量子力學(xué)的一些概念來做技術(shù)改造，可以說量子力學(xué)一誕生就有了技術(shù)上的應(yīng)用。
朱詩(shī)堯介紹說，從專業(yè)的角度來看，量子技術(shù)是利用量子態(tài)的疊加或糾纏等量子屬性進(jìn)行信息處理或精密測(cè)量的技術(shù)，目前的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等三個(gè)方面。
在這三者中，比較“古老”的應(yīng)用是量子精密測(cè)量。朱詩(shī)堯舉了一個(gè)我們大家比較熟悉的例子，衛(wèi)星。衛(wèi)星里面的鐘需要非常準(zhǔn)確，不然GPS定位偏差就會(huì)很大。所謂，差之毫厘謬以千里。那么怎么能做到非常精確呢？這就需要用到量子力學(xué)的原理。原子能級(jí)具有極高的穩(wěn)定性，在銀河系另一端的氫原子和地球上的氫原子具有相同的躍遷頻率。利用這一性質(zhì)我們可以制備遠(yuǎn)比任何其他鐘都準(zhǔn)確的原子鐘，而這些鐘已經(jīng)被用在了GPS導(dǎo)航中的相對(duì)論修正中，保證了導(dǎo)航精度達(dá)到米量級(jí)。再比如，測(cè)量弱磁場(chǎng)這項(xiàng)工作，如果用量子力學(xué)的原理來設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器就會(huì)比經(jīng)典儀器要準(zhǔn)確很多。
從上世紀(jì)80年代開始，人們發(fā)現(xiàn)量子操控技術(shù)可以被應(yīng)用到計(jì)算領(lǐng)域，在某些問題的處理上可以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，這就產(chǎn)生了量子計(jì)算的概念，另外還應(yīng)用到了秘鑰分發(fā)方面，也就是量子通信?？梢哉f，量子計(jì)算和量子通信是最近二三十年來發(fā)展比較快的量子技術(shù)。
那么，當(dāng)前我國(guó)量子技術(shù)研究處在一個(gè)什么樣的位置呢？
朱詩(shī)堯說，近二三十年，各國(guó)開始大力發(fā)展量子技術(shù)，應(yīng)該說大家都處于同一條起跑線上?！爱?dāng)前我國(guó)在量子通信方面是領(lǐng)先世界的，一個(gè)標(biāo)志性的成果是墨子號(hào)衛(wèi)星所完成的洲際量子秘鑰分發(fā)。在量子計(jì)算的某些方面，我們也達(dá)到了世界先進(jìn)水平，例如前年我們浙大實(shí)現(xiàn)了多達(dá)20個(gè)比特的全局糾纏態(tài)，在比特糾纏數(shù)目上打破了世界記錄?！?/p>
當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，科技創(chuàng)新是其中一個(gè)關(guān)鍵變量。量子技術(shù)對(duì)于我們建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)、搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)，構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢(shì)，具有重要的意義。
在朱詩(shī)堯看來，一個(gè)國(guó)家的發(fā)達(dá)程度體現(xiàn)在對(duì)最先進(jìn)技術(shù)的掌握上，量子技術(shù)由于其巨大的應(yīng)用前景，吸引了全球主要國(guó)家和信息領(lǐng)域大公司的戰(zhàn)略性投入，“我們國(guó)家在這一方面不能落后。能否搶占制高點(diǎn)意味著在下一輪科技革命的激烈競(jìng)爭(zhēng)中我們能否勝出。”
加強(qiáng)量子計(jì)算和量子精密測(cè)量的有機(jī)結(jié)合
量子科技發(fā)展取決于基礎(chǔ)理論研究的突破，然而顛覆性技術(shù)的形成是一個(gè)厚積薄發(fā)的過程。
浙江大學(xué)在量子科技發(fā)展方面早有謀劃。2015年底，物理學(xué)系、信電學(xué)院和光電學(xué)院等幾家單位組建了量子信息交叉中心，在張富春教授帶領(lǐng)下，做了大量工作。2017年，剛剛加盟浙大不久的朱詩(shī)堯開始擔(dān)任中心的首席科學(xué)家。2019年，浙江大學(xué)又啟動(dòng)了量子計(jì)算與感知會(huì)聚研究計(jì)劃。
在量子計(jì)算方面，浙大的重點(diǎn)研究方向是在量子計(jì)算中做超導(dǎo)量子芯片的設(shè)計(jì)測(cè)量。2019年，團(tuán)隊(duì)的王浩華和宋超等人做了一項(xiàng)研究，開發(fā)出具有 20個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片，并成功操控其實(shí)現(xiàn)全局糾纏，刷新了固態(tài)量子器件中生成糾纏態(tài)的量子比特?cái)?shù)目的世界記錄。這一進(jìn)展發(fā)表在了國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》上。
“現(xiàn)在我們團(tuán)隊(duì)的年輕人正在研制32比特的量子芯片，”朱詩(shī)堯說，研制量子芯片是做量子計(jì)算的第一步，接下來還要開發(fā)相應(yīng)的算法和語(yǔ)言，“我們成立了軟件和算法工作實(shí)驗(yàn)室，除了我們團(tuán)隊(duì)外還有計(jì)算機(jī)學(xué)院和數(shù)學(xué)學(xué)院的老師參加，爭(zhēng)取在一兩年之后能做出一個(gè)可以供大家做實(shí)驗(yàn)的小型量子計(jì)算平臺(tái)?！?/p>
量子計(jì)算和感知匯聚研究計(jì)劃中的“感知”指的是量子精密測(cè)量，陀螺等飛行器上的儀器設(shè)備都需要用到它。朱詩(shī)堯說，他特別想做的一件事就是整合原有的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)量子計(jì)算和量子精密測(cè)量的結(jié)合。
量子計(jì)算和量子精密測(cè)量的一個(gè)結(jié)合點(diǎn)就是量子光學(xué)。原來量子光學(xué)研究集中在原子、分子層面，量子比特可以看成一種人造的可操控的原子，它的可操控性比原子和分子要好得多。有了它之后，以前一些看不到的現(xiàn)象就可以在量子比特上看到，我們希望據(jù)此做些有特色的研究。
人無我有，人有我優(yōu)。在各方都積極搶占量子技術(shù)制高點(diǎn)的背景下，浙江大學(xué)的量子研究有什么樣的獨(dú)門絕招呢？
朱詩(shī)堯認(rèn)為，浙江大學(xué)量子計(jì)算平臺(tái)的特色就是比特集成度和可操作度比較高，如果真正應(yīng)用到量子計(jì)算上的話，實(shí)用性比較強(qiáng)，“其實(shí)，比特?cái)?shù)量和可操作度這兩個(gè)指標(biāo)是有點(diǎn)矛盾的，比特?cái)?shù)量高了，可操作度就會(huì)有一定的下降，所以我們要在這兩個(gè)方面進(jìn)行一定的平衡，目前我們的研究更偏向于可操作度?！?/p>
而浙大的研究?jī)?yōu)勢(shì)也很顯著，那就是多學(xué)科交叉。計(jì)算機(jī)學(xué)科和數(shù)學(xué)學(xué)科老師的參與，對(duì)今后軟件開發(fā)很有裨益；團(tuán)隊(duì)跟光電學(xué)院合作，希望能研制出光子芯片，把精密測(cè)量的手段用到芯片上去；跟信電學(xué)院合作，希望加強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)磁場(chǎng)的測(cè)量水平；跟材料學(xué)院合作，看看有沒有什么材料可以使量子芯片的性能更好；團(tuán)隊(duì)與醫(yī)學(xué)院、生科學(xué)院也有合作，今后還可能從物理的機(jī)理來研究生物現(xiàn)象……
“量子技術(shù)確實(shí)非常強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉，而浙江大學(xué)的學(xué)科門類齊全，為我們的研究提供了很好的氛圍和環(huán)境，”朱詩(shī)堯表示，每一個(gè)學(xué)科，不管是基礎(chǔ)的還是應(yīng)用的，都必須跟別的學(xué)科相互交叉，“我也希望我們團(tuán)隊(duì)的每位成員都有各自擅長(zhǎng)的一塊領(lǐng)域，大家在一起交流合作，這樣才能夠做出以前單個(gè)人很難完成的工作，才能有新的突破?！?/p>
提高量子比特的壽命，量子計(jì)算將大有可為
量子計(jì)算是量子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，近年來，量子計(jì)算機(jī)的研制成為國(guó)際量子領(lǐng)域的一個(gè)焦點(diǎn)。那么量子計(jì)算機(jī)與我們的經(jīng)典計(jì)算機(jī)有何不同呢？
朱詩(shī)堯介紹說，量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)最大的不同就是量子比特。經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特就是0和1，就是說在經(jīng)典計(jì)算機(jī)里，只有2個(gè)狀態(tài)，要么0，要么1。但量子比特還有糾纏和關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，可以有一部分在0，有一部分在1，而且這個(gè)比例是可以人為調(diào)控的。糾纏越好、關(guān)聯(lián)度越大，量子計(jì)算機(jī)的性能就越好。
在量子科學(xué)領(lǐng)域，量子糾纏是非常重要的一個(gè)概念。什么是量子糾纏呢？在經(jīng)典世界中，如果有兩個(gè)粒子，每個(gè)都是0或1，當(dāng)我們測(cè)量其中一個(gè)粒子時(shí)，無論測(cè)量結(jié)果是0還是1，對(duì)于另外一個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果是沒有影響的。但是在量子世界中，當(dāng)有多個(gè)粒子的時(shí)候，對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果是會(huì)影響到對(duì)其他粒子的測(cè)量的，也就是說粒子不是相互獨(dú)立的，一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)。
量子計(jì)算機(jī)就是用量子的邏輯門來做一些運(yùn)算。不過在朱詩(shī)堯看來，目前世界上已有的這些量子計(jì)算機(jī)還不是真正的“計(jì)算機(jī)”。
“我們一般人聽到量子計(jì)算機(jī)，可能會(huì)認(rèn)為它是像現(xiàn)在的經(jīng)典計(jì)算機(jī)這樣的能夠全世界通用的、老百姓能實(shí)際應(yīng)用的工具。但其實(shí)目前的量子計(jì)算機(jī)只能說是針對(duì)某些特定用途的模擬計(jì)算機(jī)。在這些特殊領(lǐng)域，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度要比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快很多。嚴(yán)格地說，現(xiàn)在中外科學(xué)家在研究的是怎樣完成從模擬計(jì)算到模擬計(jì)算機(jī)的跨越，離通用還比較遙遠(yuǎn)。”
那么難點(diǎn)在哪里呢？朱詩(shī)堯認(rèn)為，最關(guān)鍵的就是量子比特的壽命，“我們目前在做的超導(dǎo)量子比特，壽命是在0.01毫秒到0.1毫秒之間，非常短，一下子就沒了，只能做1000次操作。我想如果能把量子比特的壽命再提高兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，量子計(jì)算就大有可為了，這也是全世界科學(xué)家在共同努力的方向?！?/p>
當(dāng)前，國(guó)家正在大力推動(dòng)重大科技任務(wù)攻關(guān)，我們?cè)撊绾蜗潞昧孔涌萍及l(fā)展的先手棋呢？
朱詩(shī)堯給出的答案是“沉下來，靜下來，扎下來”。他說，科學(xué)研究，沒有長(zhǎng)時(shí)間的積累是不行的，諾貝爾獎(jiǎng)得主當(dāng)初在做研究的時(shí)候是不會(huì)考慮以后能不能拿獎(jiǎng)的，這就要求我們從事科學(xué)研究的老師必須是熱愛科學(xué)的，有強(qiáng)烈探知欲望的。
做科研，要熱愛，要投入，這也是朱詩(shī)堯四十多年科研工作的真實(shí)寫照。他感慨地說，現(xiàn)在回想起來，他真正投入科研工作的時(shí)候，年紀(jì)已經(jīng)不小了。朱詩(shī)堯1968年大學(xué)畢業(yè)后當(dāng)了十年小學(xué)和中學(xué)老師，1979年考上研究生開始做科研。他一心想把荒廢掉的時(shí)間補(bǔ)回來，所以讀研究生的時(shí)候非常用功，一心撲在科研上面。“當(dāng)時(shí)因?yàn)槲医?jīng)常跑圖書館，館里的工作人員都跟我成了好朋友，有國(guó)外郵寄過來的科學(xué)雜志到了，都會(huì)第一時(shí)間來告訴我。”
朱詩(shī)堯說，現(xiàn)在的科研條件比我們那時(shí)候好多了，希望青年科學(xué)工作者和以后有志于做量子科學(xué)研究的同學(xué)們，能夠好好珍惜，踏踏實(shí)實(shí)、老老實(shí)實(shí)地把時(shí)間和精力花在學(xué)習(xí)科學(xué)、研究科學(xué)上，不要今天想做這個(gè)，明天想做那個(gè)。
“我想以我的自身經(jīng)歷告訴大家，只要肯下功夫，堅(jiān)持努力，一定會(huì)有成果的?！?/p>
（文 盧軍霞 吳雅蘭 柯溢能/圖 盧紹慶）
