我研究量子只因興趣，不在乎熱門與否

王煜

“九章”量子原型機所展示的光量子干涉實物圖。

“量子”目前太熱了。從事量子理論研究三十年，擔任全國量子力學研究會副理事長十余年，力行量子科普多年……這樣的學者的量子研究有怎樣的故事？在他眼里，量子計算與量子通信有怎樣的意義和發展前景？“量子熱”是好事嗎？復旦大學物理學系教授施郁對此進行了解答。

量子計算能代替經典計算嗎？

20年前，施郁開始思考關于通用量子計算機的問題，他撰寫的相關學術論文于2002年發表。20年后的今天，中國的“九章”量子計算原型機研制成功，引來國內外許多同行研究者的關注和贊譽。量子計算創始人之一、美國麻省理工學院的Peter Shor教授還為此賦詩一首表示祝賀。

有意思的是，這首詩的題目叫作“認為算術產生隨機數肯定是罪過的那些人”，是以“正話反說”的形式，寫給那些懷疑量子計算的人的。Shor之所以這么寫，是因為對量子計算原型機的研究，學界與公眾確實有不同的聲音，有人認為這些研究“夸大其詞、意義不大”。

在施郁看來，“九章”當然是中國在量子計算領域實實在在的突破和進展，這一點是經得起考驗的。

他同時也指出，無論是2019年谷歌的“懸鈴木”還是2020年中國科研團隊的“九章”，本質上都屬于針對特定計算任務、顯示能力的一種演示裝置，還需要進一步發展，離通用量子計算機還差得比較遠，因而它們只被稱作“原型機”。

也就是說，“懸鈴木”只能求解隨機線路采樣，“九章”只能用于高斯玻色采樣，它們做不了別的計算。

它們目前的主要意義，是為了驗證和實現“量子優越性”，也就是在特定問題的計算能力上，量子計算要遠遠超過經典計算?！熬耪隆钡臄祿牵禾幚砀咚共Ｉ訂栴}的速度比目前最快的超級計算機“富岳”快100萬億倍，且等效速度比谷歌的“懸鈴木”快100億倍左右。這已經實現了量子優越性。

用“九章”研制團隊領銜人、中國科學技術大學教授潘建偉的話來說：現在的量子計算原型機更像是一個“玩具”，只能在玩某一個游戲方面擊敗經典計算機。在施郁看來，即使是這樣的“玩具”，也是值得開發研究的，因為科學家需要通過這個過程進一步駕馭量子計算。

要攻克的難關是操縱更多的量子比特，而且在這個過程中保持它們的量子性質。量子狀態是很脆弱的，要隔絕外界環境對它們的干擾，需要先進的技術來保障。驗證量子優越性，需要操縱約50到100個量子比特，2019年谷歌的“懸鈴木”包含53個超導量子比特，2020年中國的“九章”操縱了76個光子。

另一個有意義的研究方向是在經典計算機上模擬量子計算，演示量子比特如何對不同操作做出反應，為量子計算開發出適合特定科學領域的量子算法。

“這樣的量子算法，現在還是不多的?！笔┯粝颉缎旅裰芸酚浾弑硎?。在他的研究團隊里，有擅長經典計算機編程的，也有擅長相關物理領域的。

等到人們能操縱數百個量子比特，才可以解決某些經典計算機無法勝任的實用問題，例如量子化學、新材料設計、優化算法等。那時，量子計算機才開始從“玩具”變成“工具”。這是當前全球量子計算研究團隊的主要任務，科學家們希望能在5-10年實現目標。

目前科學界認為量子計算能解決的實際問題，包括對密碼的破解、大數據搜索、生物醫學領域的一些模型構建等，就需要操縱至少幾百萬個量子比特才能實現，同時還要滿足大于99.9%的操縱精度。做到這一步，也就是實現了可編程的通用量子計算機。學術界普遍認為，這個目標面臨的挑戰是巨大的，至少還需要20-30年的時間來攻關。

量子計算發展到可以解決實際問題的時候，是否會逐漸替代經典計算？換句話說，將來是否會由量子計算“一統天下”？施郁表示：這是不會發生的。因為量子計算和經典計算各有各的優勢，人們當然是選擇在對應的領域更合適、性價比更好的計算方式;兩者不是誰取代誰的關系，而是互相補充的關系。那些經典計算機需要的時間太長、無法勝任，而量子計算費時短的計算領域，才是量子計算機的用武之地;而且專用量子計算比通用量子計算現實得多，通用量子計算的實現難度要大得多，對量子比特個數、糾錯和抗噪聲的要求都更高。因此，量子計算具備有條件的“優越性”，但并沒有超越一切的“霸權”。

施郁多年來一直不遺余力地進行量子力學的科普宣傳。

“量子通信”到底意味著什么？

量子通信，是目前量子科技最“接地氣”的一項應用領域。如果說墨子號量子通信衛星上天、“京滬干線”建成，還是讓人們認為量子通信的“絕對安全”暫時只應用于軍事、金融等高端特定領域的話;那么最近國內電信運營商推出的“量子密話”，就把量子通信與普通人的距離拉得更近。

這款移動通信產品宣稱將5G通信與量子通信技術緊密結合，已成功在安徽試商用，用戶只要更換為專用的安全通話SIM卡，再下載相應App就可實現安全通話，換卡的費用在100元以內。

這種“量子密話”，是利用量子隨機數及量子密鑰分發機制來生成認證密鑰及通話密鑰，其密鑰具有“真隨機性”。

“真隨機性”是相對普通加密方式而言的。這些密鑰只能用一次，用戶每次發起“量子密話”時，系統會隨機抽取SIM卡內的一個量子密鑰與后臺建立連接、校驗身份信息;認證通過后，再另外實時生成一個新密鑰作為會話密鑰。認證密鑰與會話密鑰分離，用后會廢棄。

當然，某次通話的密鑰使用后，在理論上經過巨大的演算時間，有可能被破解;然而下一次通話又采用了新的密鑰，所以后續仍然能保證安全。如此就實現了從主叫方手機到被叫方手機間的端到端的加密，通話的語音信息即使被其他人獲取到也無法獲得真實內容，安全性顯著提高。

中國科學技術大學展示的“高速量子密鑰生成終端”模型。

不過，這種安全通話實現的前提是雙方需要同時支持該項技術，并且需要用戶到臨近的服務站下載自己的專屬密鑰到SIM卡中，如果專屬密鑰用完了，要再去服務站補充，就像去加油站加油。另外，能進行量子安全通話的手機在基本功能上和普通手機一樣，在沒有手機信號的情況下，也是無法通話的。

從電信運營商推出的“量子密話”就能看出來，這里的“量子通信”其實在本質上并不是一種通信技術，而是密鑰分發的技術，也就是利用量子本身的特性，生成密鑰，進行“量子密鑰分發”。

目前，有了墨子號衛星和“京滬干線”，中國已經實現了千公里級的量子通信。中國量子通信領域研發團隊的領軍人潘建偉提出：量子通信的發展目標是構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系。具體的實現步驟是：首先通過光纖實現城域量子通信網絡，進而通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接，最終通過衛星平臺中轉來實現遙遠區域之間的連接。

按照這樣的路線，量子通信未來的發展一方面需要擴大量子通信網絡的有效覆蓋范圍，包括實現量子通信網絡和經典通信網絡的無縫銜接、實現可支持千公里量級的量子中繼、發展下一代可全天時工作的量子衛星網絡等。另一方面，我們需推動核心器件的自主研發、相關應用標準的制定和規模化的應用示范。

施郁則從理論上暢想：隨著技術的進步，量子通信也可能不只停留在密鑰分發的領域。不過，它在未來也并不是對現有通信技術的完全替代，而是與經典通信方式結合和互補。

從“被鄙視”到“超熱門”

眼下，量子科技熱得燙手，已被世界各國列入增強未來競爭力的發展戰略?！艾F在，年輕人來報我的研究生學量子物理、做量子研究，是不需要什么理由的，它是熱門和潮流?！笔┯粽f。但是，當年他自身面臨的情況，與如今完全不一樣。

1985年，參加高考的施郁選擇了物理學專業，并從此開啟了延續至今的在理論物理尤其是量子物理理論的學術之路。其實，他與量子的結緣還要追溯到更早?！拔以诟咧械臅r候，看到當時出版的蘇聯科學家寫的一本《量子力學史話》，從此對量子產生了興趣。這本書，至今還在我老家的書架上放著?！笔┯舾嬖V《新民周刊》記者。

眾所周知，愛因斯坦這位偉大的物理學家盡管被認為是量子力學理論的創立者之一，但到最后并不接受量子理論是一個完備的理論。 。1935年，他和波多爾斯基、羅森在美國《物理學評論》（Physical Review）上聯合發表題為“能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎”的論文，發現了量子力學中存在一種特殊的關聯，認為這顯示了量子力學的局限性。后來另一位偉大的物理學家薛定諤將這個特殊關聯稱作“量子糾纏”。但是很多物理學家認為這些概念的研究屬于哲學。

量子力學是研究微觀世界的“通用語言”，其實當今物理學的許多分支都與量子理論有密切的聯系，量子領域的研究和實踐還需要艱難的攻關，不是一時半刻就能出現改變普通人生活的顯著進展。

半個世紀之后，施郁在高校求學時，還有不少資深的物理學者對于量子糾纏和量子力學基礎的研究抱著一種“鄙視”的態度，他們認為那是一種哲學，不算是物理學該討論的事。彼時，量子通信和量子計算還看不到從理論走向實踐的進程。

盡管如此，施郁不為所動，仍然堅持自己的學習和研究?！拔耶敃r沒有去想過量子在將來會不會變得熱門，那不是我在乎的東西。我到現在依然如此認為：如果你對某個領域感興趣，那就去學習它、研究它，不要管它是不是熱門。”

12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76 個光子的量子計算原型機“九章”，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒。這一突破使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。這是光量子干涉示意圖。

在他看來，如果只是因為熱門而來研究，那假如過些年這股熱潮過了，是不是這些人就會脫離量子研究，又轉去追逐另一個“熱點”呢？這種“潮起潮落”在科學界并不少見，但研究者應該保持一顆平常心，冷靜地堅守自己的領域。

他說：量子力學是研究微觀世界的“通用語言”，其實當今物理學的許多分支都與量子理論有密切的聯系，“量子研究”早已有之;只是在之前，許多學者不會強調自己做的是“量子”研究，而現在很多研究人員把“量子”二字加上去了。

除了堅持在量子領域的理論研究和專業教學，施郁還投身對全體學生和社會公眾的科普。他連續七八年在復旦大學開設《量子計算與量子信息》選修課，來聽課的學生并不局限在物理學專業。

2020年新冠疫情期間，他在網絡平臺直播講授該課程，更是吸引了外校的學生、已經工作的上班族甚至在國外學物理的學生來觀看學習。為了方便與這些網絡學生的交流，施郁還為他們建立了專門的微信群，在群里分發資料、答疑解惑?！坝行┥暇W課的觀眾跟我說：‘以前不懂的問題，看了您的視頻就懂了。不管他是不是我們學校的學生，能有這樣的效果，我都很開心?！?/p>

他還在“知識分子”“賽先生”等網絡平臺以及《光明日報》等報刊發表了大量科普文章，結合科學的前沿與歷史，所述內容多與量子力學相關。從引力波到黑洞，從“揭開量子的神秘面紗”到“物理學家如何開啟量子信息學”，從“愛因斯坦在上海灘做了些什么”到“愛因斯坦訪華計劃為何流產”，從“量子科學革命”到“量子科技為什么重要”，這些文章嚴謹準確又通俗易懂，為廣大受眾歡迎，被許多媒體引用轉載。在他看來，科普要有針對性，對于不同人群與內容要求需要各有側重、兼顧科學準確性和可讀性，最好在傳播科學知識的同時傳達科學思想和精神。

“量子力學是有意思的事，對于公眾而言是值得了解的?！辈贿^，他認為，公眾可以更多地了解吃透這個領域的一些基本概念?！按蠹叶紒黻P注量子力學肯定是件好事，但不要太急切了，可以從更長的時間尺度來觀察這個領域?！彼f，量子領域的研究和實踐還需要艱難的攻關，不是一時半刻就能出現改變普通人生活的顯著進展。希望人們能耐心地等待，給科學家們創造一個寬松的環境。