新年論壇·演講實錄
郭光燦
中國科學院院士
中國科學技術大學教授
● 量子算力加上人工智慧，10年以後就會誕生量子人工智慧的新學科。
● 中國的量子計算水平目前位於國際第一梯隊，但與美國還有差距，日本和德國等正在追趕，我們還要繼續努力。
● 盡管一連18年苦坐「冷板凳」，我也沒有想過放棄，因為我知道這對於國家發展的重要性。現在年輕人多了，國家也給了很多支持，量子產業已經發展到了百花齊放的階段。我用了一生的時間來做到這一點，也是完成了自己的使命，值得。
新年論壇上，郭光燦院士發表主題演講 「引爆‘第二次量子革命’的世紀爭論」 並接受多家媒體采訪，在回溯量子力學發展沿革中，分享量子技術最新進展，和自己堅持量子研究三十余年「一生只做一件事」的人生體悟。
01
量子力學「幽靈」與世紀爭論
愛因史坦和波耳的第一場爭論始於1927年10月的第五屆索爾維會議。這場會議有29位世界著名科學家出席，包括居禮夫人、普朗克等，其中有17個人先後獲得諾貝爾獎，可見會議規格之高。
會議的核心議題是量子力學，而會議的主角是愛因史坦。愛因史坦的立場是向量子力學提出挑戰，他的挑戰物件是建立量子力學哥本哈根學派的波耳。雙方在三年後的第六次會議上還展開了第二場爭論，兩次交鋒均以愛因史坦的失敗告終。
愛因史坦指出，量子力學中存在一種「特殊」的超距作用 。自此，愛因史坦挑起物理學近90年的一場歷史性學術爭論，極大推動了量子力學的深刻發展。
1935年，愛因史坦在【物理評論】上發表了一篇由他和兩位年輕人共同完成的文章，也就是 歷史上著名的「EPR佯謬」，文中講述了什麽是特殊超距作用 。
EPR的思想實驗詳細闡明了這種「特殊超距作用」：設想有兩個量子客體A和B，其自旋要麽向上，要麽向下。自旋總是相反的兩粒子系統，在實驗上可制備，按照量子力學理論，如果單獨測量A或B的自旋，有50%的機率向上，50%的機率向下；如果將A和B分別發送到地球和月球上，A與B之間就會存在「幽靈般」的超距作用。
在地球上測量A的自旋，結果是向上，那麽月球上B的自旋不管測量還是不測量，其自旋「即時」為向下。 愛因史坦認為，這個現象絕對不會發生，他稱之為「幽靈」超距作用 ，認為「量子力學不完備」，引進隱參數便可以「消除」這個「幽靈」。
02
跨越90年解決世紀難題
世界究竟是遵從量子力學還是隱參數理論 ？這是個富有「哲學」意味的辯題。30多年之後，解決這個重大爭論的人出現了，正是愛因史坦的崇拜者貝爾（John Bell）。
1964年，貝爾在美國加利福尼亞州出差時，利用業余時間研究愛因史坦與波耳的歷史性爭論，並且在一本不起眼的刊物【物理】上發表了一篇在 歷史上具有重要意義的文章——【論EPR佯謬】 。
貝爾做了兩點假設：一、局域性，沒有任何交互作用的客體不會相互影響，或者說不存在超光速的關聯。二、實在論，測量之前存在有客觀實體。在這兩點假設下， 貝爾推匯出，EPR佯謬的實驗必定滿足某個不等式，即貝爾不等式 。
如果這個不等式永遠成立，那就證明量子力學是不完備的，要用隱參數理論來替代量子力學。 如果實驗上發現貝爾不等式被違背了，那就說明愛因史坦錯了，量子力學是完備的，「幽靈」是存在的 。
1972年，美國實驗物理學家約翰·法蘭西斯·克勞澤（John F. Clauser）最早根據貝爾不等式進行實驗。遺憾的是，當時儀器太過粗糙。到了1982年，法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）的實驗得到公認，貝爾不等式被違背，但仍存在漏洞。2015年，荷蘭代爾夫特大學物理學家隆納·漢森(Ronald Hanson)團隊完成無漏洞的貝爾不等式違背實驗。
2022年，諾貝爾物理學獎同時頒發給阿蘭·阿斯佩、約翰·法蘭西斯·克勞澤和奧地利物理學家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們 「用纏結光子驗證了量子不遵循貝爾不等式，開創了量子資訊學」 。至此， 這場歷經90年的討論有了最後的答案 。
03
量子纏結與「超光速」無關
貝爾不等式也被稱為「貝爾定理」，即 如果一個理論是局域性的，那麽它將與量子力學的預言相沖突，任何與量子力學一致的理論都必須是非局域性的 。簡而言之， 量子世界是非局域性的 。
經典世界是局域性的，量子世界是非局域性的，非局域性就是沒有交互作用也會相互影響。 為什麽沒有交互作用也會相互影響 ？ 兩個物體有關聯就會互相影響 。
「EPR佯謬」是一個關聯 ，我們要求A和B兩個粒子自旋總是相反，這就意味著這兩個粒子的自旋，物理量是關聯的，關聯就會互相影響，所以A的自旋發生變化，B馬上也會變化，這種量子關聯就叫「纏結態」。
「纏結態」就是關聯，關聯會導致瞬時變化，不需要傳送任何資訊 。很多科普文章說「纏結」就是超光速，這是完全錯誤的。纏結來自於關聯，關聯的變化不需要傳送資訊， 也就不存在超光速 。
如果有100對纏結態的粒子，100個A放在地球，100個B放在月球，同時測量所有的A和B，測量以後會出現什麽情況？地球上測量A，向上向下是隨機數；月球上的B，向上向下也是隨機數。看起來好像沒有關系，但實際上，這兩個隨機數是完全關聯的。單看隨機數是隨意的，但兩個進行比較一定是關聯的，而且是嚴格的關聯。
利用這個特性，我們可以用來做一件有意義的事——量子密碼。一對一對的發生纏結對，例如一對到Alice，一對到Bob，同時測量向上向下的自旋，最後得到的是兩個完全一樣的隨機數，就可以作為密碼。
量子世界的非局域性導致EPR實驗中「幽靈」的產生，這「幽靈」就是量子纏結，其物理本質就是「量子關聯」 。量子力學是完備的，「局域隱參數理論」是不成立的。量子沒有錯，錯的是不了解量子世界非局域性的量子關聯，正是量子關聯導致「幽靈」出現。
04
人類距離量子電腦還有多遠？
隨著世紀爭論落下帷幕，量子資訊誕生了，人類社會進入第二次量子革命的新歷史時期。第一次量子革命伴隨量子力學的誕生而來，讓我們擁有了電腦、手機、互聯網等經典技術。量子資訊則帶來了量子電腦、量子傳感。 量子技術的出現來源於量子原理，但技術本身是量子的，所以我們稱為「第二次量子革命」 。
第二次量子革命產生的最重要的技術就是量子計算，這是一項顛覆性技術 。量子電腦如果得到普遍套用，人類社會將發生翻天覆地的變化，算力會提高到新的層次，量子算力會以指數級增長，超越現有的經典演算法，超越現在的超級電腦。
量子電腦可以實作超級電腦無法完成的工作。例如，現在的動態金鑰，電子電腦無法破解，但量子電腦可以。 如果量子算力加上人工智慧，10年以後就會誕生量子人工智慧的新學科，量子算力的提高是量子資訊發展裏最重要的影響 。
在研究量子電腦的過程中，還面臨兩大主要障礙 。
第一是「消相幹」問題 。量子電腦是宏觀的量子器件，環境不可避免地破壞量子特性，稱為「消相幹」。它會導致量子電腦自動地變成經典電腦，喪失並列運算能力。為了應對環境破壞下計算可靠的問題，科學家提出「容錯糾錯編碼原理」，理論上可確保在消相幹環境中量子電腦能可靠正確執行。但實際技術很難做到。
第二是人類尚未掌握精確操控量子狀態和演化的技術，因此無法制備和精確操控量子位元數較多的量子芯片 。
用於量子資訊儲存的量子編碼是將有雜訊的若幹量子物理位元變成一個沒有雜訊的邏輯位元 。雜訊會帶來計算錯誤，用無雜訊的邏輯位元作為處理數據單元，數據就能保持完整。
這個編碼實際上是把N個量子位元變成一個特殊的「纏結態」，這個「纏結態」的整體叫 「邏輯位元」 。用邏輯位元作為資訊的處理單元，就是沒有雜訊的資訊訊號，這就是 「量子容錯」 。如果量子位元的品質好，保真度高，那麽編一個邏輯位元所需要的物理位元量就少，這就是保證量子編碼的原理。
容錯編碼可以用於糾正操作過程的錯誤。當操作的精度高於某個閾值，如99.999%，可以糾正操作過程的錯誤，使得即使在錯誤環境中仍可獲得可靠結果。 通用量子電腦必須采用編碼容錯技術才能確保計算的可靠性 。理論上可以實作，但現在我們的技術還達不到。
通用量子電腦需要約1000個邏輯位元，每個邏輯位元由約1000個物理位元編碼而成，因此， 通用量子電腦需要百萬級量子位元 。 雖然距離技術實作還有很遠的距離，但我們的進步非常快 。
2016年，IBM公布了全球第一個量子電腦線上平台，搭載5位量子處理器，用6個量子位元創造熒光。這是人類歷史上第一次真正將量子處理器作為實際套用。2019年，IBM又推出全球首套商用量子電腦，命名為「Q System One」。
2024年1月6日，中國第三代超導量子電腦「本源悟空」上線執行 。該量子電腦搭載72位自主超導量子芯片「悟空芯」(共198個量子位元，包含72個工作量子位元和128個耦合量子位元)， 是目前中國最先進的可編程、可交付超導量子電腦 。 這是完全自主可控研發的產品 。
「本源悟空」上線後影響很大，全世界有90個國家的64萬人存取了雲端運算，其中有9萬人帶著問題在電腦上執行，現在已經完成了8萬個計畫。 中國的量子計算水平目前位於國際第一梯隊，但與美國還有差距，日本和德國等正在追趕，我們還要繼續努力 。
美國最近有兩個非常重要的進展，第一個是IBM使用分塊聯接的方式擴充套件量子位元，釋出了第一個1000量子位元量子芯片。第二個是哈佛大學米哈伊爾·盧金（Mikhail D. Lukin）研究組釋出了第一台基於可重構原子陣列的邏輯量子處理器，成功在一個具有280個物理量子位元的系統中，制備48個邏輯量子位元，為開發真正可延伸和容錯的量子電腦奠定了基礎。
量子計算已從僅追求量子位元的增加進入到研發「邏輯量子位元」的新階段 。當然，距離實作通用量子電腦還有相當長的路要走。 如果將量子計算發展看作一個人的成長，那我們現在大概還在七八歲 。
05
一生做一件事，值得
我從上世紀80年代開始從事量子研究，先後研究量子光學和量子資訊。當時，國內這個領域的研究非常少。 我的科研旅途曾經非常孤獨，沒有人支持，沒有人理解，又不能放棄 。學科剛起步，國內對國際上的研究水平了解也不多，因此籌措科研經費非常困難，這是我們面臨的最大的問題。
從開始研究起，我就一直在宣傳量子科學對國家發展的重要性，也堅信國家早晚會大力發展這個領域。因此， 盡管一連18年苦坐「冷板凳」，我也沒有想過放棄，因為我知道這對於國家發展的重要性 。我曾經給錢學森寫信，他很支持。直到2021年，我們的研究得到了重視，迎來了第一個大計畫。國家逐漸意識到量子研究的重要性，慢慢地，從事量子研究的科研人員就多了，發展自然就越來越快。
現在年輕人多了，國家也給了很多支持，量子產業已經發展到了百花齊放的階段。 我用了一生的時間來做到這一點，也是完成了自己的使命，值得 。
*圖片來自網路和郭光燦院士演講PPT
