【大咖有约】朱诗尧院士:下好量子科技发展先手棋

发布时间:2021-01-28来源:浙大新闻办

当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中的一个关键变量。

习近平总书记强调,要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。

站在面向“十四五”发展的重要机遇期,我们应该如何下好量子科技发展的先手棋呢?本期“大咖有约”邀请到量子光学专家、浙江大学物理学系朱诗尧院士,与我们一起探讨量子前沿领域发展。


能否抢占制高点意味着在下一轮科技革命竞争中能否胜出

量子科技主要是利用量子力学的一些概念来做技术改造,可以说量子力学一诞生就有了技术上的应用。

朱诗尧介绍说,从专业的角度来看,量子技术是利用量子态的叠加或纠缠等量子属性进行信息处理或精密测量的技术,目前的应用领域主要包括量子通信、量子计算和量子精密测量等三个方面。

在这三者中,比较“古老”的应用是量子精密测量。朱诗尧举了一个我们大家比较熟悉的例子,卫星。卫星里面的钟需要非常准确,不然GPS定位偏差就会很大。所谓,差之毫厘谬以千里。那么怎么能做到非常精确呢?这就需要用到量子力学的原理。原子能级具有极高的稳定性,在银河系另一端的氢原子和地球上的氢原子具有相同的跃迁频率。利用这一性质我们可以制备远比任何其他钟都准确的原子钟,而这些钟已经被用在了GPS导航中的相对论修正中,保证了导航精度达到米量级。再比如,测量弱磁场这项工作,如果用量子力学的原理来设计的磁场测量仪器就会比经典仪器要准确很多。

从上世纪80年代开始,人们发现量子操控技术可以被应用到计算领域,在某些问题的处理上可以超越经典计算机,这就产生了量子计算的概念,另外还应用到了秘钥分发方面,也就是量子通信。可以说,量子计算和量子通信是最近二三十年来发展比较快的量子技术。

那么,当前我国量子技术研究处在一个什么样的位置呢?

朱诗尧说,近二三十年,各国开始大力发展量子技术,应该说大家都处于同一条起跑线上。“当前我国在量子通信方面是领先世界的,一个标志性的成果是墨子号卫星所完成的洲际量子秘钥分发。在量子计算的某些方面,我们也达到了世界先进水平,例如前年我们浙大实现了多达20个比特的全局纠缠态,在比特纠缠数目上打破了世界记录。”

当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中一个关键变量。量子技术对于我们建设科技强国、抢占国际竞争制高点,构筑发展新优势,具有重要的意义。

在朱诗尧看来,一个国家的发达程度体现在对最先进技术的掌握上,量子技术由于其巨大的应用前景,吸引了全球主要国家和信息领域大公司的战略性投入,“我们国家在这一方面不能落后。能否抢占制高点意味着在下一轮科技革命的激烈竞争中我们能否胜出。”


加强量子计算和量子精密测量的有机结合

量子科技发展取决于基础理论研究的突破,然而颠覆性技术的形成是一个厚积薄发的过程。

浙江大学在量子科技发展方面早有谋划。2015年底,物理学系、信电学院和光电学院等几家单位组建了量子信息交叉中心,在张富春教授带领下,做了大量工作。2017年,刚刚加盟浙大不久的朱诗尧开始担任中心的首席科学家。2019年,浙江大学又启动了量子计算与感知会聚研究计划。

在量子计算方面,浙大的重点研究方向是在量子计算中做超导量子芯片的设计测量。2019年,团队的王浩华和宋超等人做了一项研究,开发出具有 20个超导量子比特的量子芯片,并成功操控其实现全局纠缠,刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界记录。这一进展发表在了国际顶级期刊《科学》上。

“现在我们团队的年轻人正在研制32比特的量子芯片,”朱诗尧说,研制量子芯片是做量子计算的第一步,接下来还要开发相应的算法和语言,“我们成立了软件和算法工作实验室,除了我们团队外还有计算机学院和数学学院的老师参加,争取在一两年之后能做出一个可以供大家做实验的小型量子计算平台。”

量子计算和感知汇聚研究计划中的“感知”指的是量子精密测量,陀螺等飞行器上的仪器设备都需要用到它。朱诗尧说,他特别想做的一件事就是整合原有的优势,加强量子计算和量子精密测量的结合。

量子计算和量子精密测量的一个结合点就是量子光学。原来量子光学研究集中在原子、分子层面,量子比特可以看成一种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,以前一些看不到的现象就可以在量子比特上看到,我们希望据此做些有特色的研究。

人无我有,人有我优。在各方都积极抢占量子技术制高点的背景下,浙江大学的量子研究有什么样的独门绝招呢?

朱诗尧认为,浙江大学量子计算平台的特色就是比特集成度和可操作度比较高,如果真正应用到量子计算上的话,实用性比较强,“其实,比特数量和可操作度这两个指标是有点矛盾的,比特数量高了,可操作度就会有一定的下降,所以我们要在这两个方面进行一定的平衡,目前我们的研究更偏向于可操作度。”

而浙大的研究优势也很显著,那就是多学科交叉。计算机学科和数学学科老师的参与,对今后软件开发很有裨益;团队跟光电学院合作,希望能研制出光子芯片,把精密测量的手段用到芯片上去;跟信电学院合作,希望加强对传统磁场的测量水平;跟材料学院合作,看看有没有什么材料可以使量子芯片的性能更好;团队与医学院、生科学院也有合作,今后还可能从物理的机理来研究生物现象……

“量子技术确实非常强调学科交叉,而浙江大学的学科门类齐全,为我们的研究提供了很好的氛围和环境,”朱诗尧表示,每一个学科,不管是基础的还是应用的,都必须跟别的学科相互交叉,“我也希望我们团队的每位成员都有各自擅长的一块领域,大家在一起交流合作,这样才能够做出以前单个人很难完成的工作,才能有新的突破。”


提高量子比特的寿命,量子计算将大有可为

量子计算是量子技术应用的一个重要领域,近年来,量子计算机的研制成为国际量子领域的一个焦点。那么量子计算机与我们的经典计算机有何不同呢?

朱诗尧介绍说,量子计算机与经典计算机最大的不同就是量子比特。经典计算机的比特就是0和1,就是说在经典计算机里,只有2个状态,要么0,要么1。但量子比特还有纠缠和关联的特点,可以有一部分在0,有一部分在1,而且这个比例是可以人为调控的。纠缠越好、关联度越大,量子计算机的性能就越好。

在量子科学领域,量子纠缠是非常重要的一个概念。什么是量子纠缠呢?在经典世界中,如果有两个粒子,每个都是0或1,当我们测量其中一个粒子时,无论测量结果是0还是1,对于另外一个粒子的测量结果是没有影响的。但是在量子世界中,当有多个粒子的时候,对其中一个粒子的测量结果是会影响到对其他粒子的测量的,也就是说粒子不是相互独立的,一个粒子的状态会影响到另一个粒子的状态。

量子计算机就是用量子的逻辑门来做一些运算。不过在朱诗尧看来,目前世界上已有的这些量子计算机还不是真正的“计算机”。

“我们一般人听到量子计算机,可能会认为它是像现在的经典计算机这样的能够全世界通用的、老百姓能实际应用的工具。但其实目前的量子计算机只能说是针对某些特定用途的模拟计算机。在这些特殊领域,量子计算机的运行速度要比经典计算机快很多。严格地说,现在中外科学家在研究的是怎样完成从模拟计算到模拟计算机的跨越,离通用还比较遥远。”

那么难点在哪里呢?朱诗尧认为,最关键的就是量子比特的寿命,“我们目前在做的超导量子比特,寿命是在0.01毫秒到0.1毫秒之间,非常短,一下子就没了,只能做1000次操作。我想如果能把量子比特的寿命再提高两到三个数量级,量子计算就大有可为了,这也是全世界科学家在共同努力的方向。”

当前,国家正在大力推动重大科技任务攻关,我们该如何下好量子科技发展的先手棋呢?

朱诗尧给出的答案是“沉下来,静下来,扎下来”。他说,科学研究,没有长时间的积累是不行的,诺贝尔奖得主当初在做研究的时候是不会考虑以后能不能拿奖的,这就要求我们从事科学研究的老师必须是热爱科学的,有强烈探知欲望的。

做科研,要热爱,要投入,这也是朱诗尧四十多年科研工作的真实写照。他感慨地说,现在回想起来,他真正投入科研工作的时候,年纪已经不小了。朱诗尧1968年大学毕业后当了十年小学和中学老师,1979年考上研究生开始做科研。他一心想把荒废掉的时间补回来,所以读研究生的时候非常用功,一心扑在科研上面。“当时因为我经常跑图书馆,馆里的工作人员都跟我成了好朋友,有国外邮寄过来的科学杂志到了,都会第一时间来告诉我。”

朱诗尧说,现在的科研条件比我们那时候好多了,希望青年科学工作者和以后有志于做量子科学研究的同学们,能够好好珍惜,踏踏实实、老老实实地把时间和精力花在学习科学、研究科学上,不要今天想做这个,明天想做那个。

“我想以我的自身经历告诉大家,只要肯下功夫,坚持努力,一定会有成果的。”

(文 卢军霞 吴雅兰 柯溢能/图 卢绍庆)