郭光灿

中国科学院院士

中国科学技术大学教授

量子算力加上人工智能，10年以后就会诞生量子人工智能的新学科。

我国的量子计算水平目前位于国际第一梯队，但与美国还有差距，日本和德国等正在追赶，我们还要继续努力。

尽管一连18年苦坐“冷板凳”，我也没有想过放弃，因为我知道这对于国家发展的重要性。现在年轻人多了，国家也给了很多支持，量子产业已经发展到了百花齐放的阶段。我用了一生的时间来做到这一点，也是完成了自己的使命，值得。

新年论坛上，郭光灿院士发表主题演讲“引爆‘第二次量子革命’的世纪争论”并接受多家媒体采访，在回溯量子力学发展沿革中，分享量子技术最新进展，和自己坚持量子研究三十余年“一生只做一件事”的人生体悟。

01量子力学“幽灵”与世纪争论

爱因斯坦和玻尔的第一场争论始于1927年10月的第五届索尔维会议。这场会议有29位世界著名科学家出席，包括居里夫人、普朗克等，其中有17个人先后获得诺贝尔奖，可见会议规格之高。

会议的核心议题是量子力学，而会议的主角是爱因斯坦。爱因斯坦的立场是向量子力学提出挑战，他的挑战对象是建立量子力学哥本哈根学派的玻尔。双方在三年后的第六次会议上还展开了第二场争论，两次交锋均以爱因斯坦的失败告终。

爱因斯坦指出，量子力学中存在一种“特殊”的超距作用。自此，爱因斯坦挑起物理学近90年的一场历史性学术争论，极大推动了量子力学的深刻发展。

1935年，爱因斯坦在《物理评论》上发表了一篇由他和两位年轻人共同完成的文章，也就是历史上著名的“EPR佯谬”，文中讲述了什么是特殊超距作用。

EPR的思想实验详细阐明了这种“特殊超距作用”：设想有两个量子客体A和B，其自旋要么向上，要么向下。自旋总是相反的两粒子系统，在实验上可制备，按照量子力学理论，如果单独测量A或B的自旋，有50%的概率向上，50%的概率向下；如果将A和B分别发送到地球和月球上，A与B之间就会存在“幽灵般”的超距作用。

在地球上测量A的自旋，结果是向上，那么月球上B的自旋不管测量还是不测量，其自旋“即时”为向下。爱因斯坦认为，这个现象绝对不会发生，他称之为“幽灵”超距作用，认为“量子力学不完备”，引进隐参数便可以“消除”这个“幽灵”。

02跨越90年解决世纪难题

世界究竟是遵从量子力学还是隐参数理论？这是个富有“哲学”意味的辩题。30多年之后，解决这个重大争论的人出现了，正是爱因斯坦的崇拜者贝尔（John Bell）。

1964年，贝尔在美国加利福尼亚州出差时，利用业余时间研究爱因斯坦与玻尔的历史性争论，并且在一本不起眼的刊物《物理》上发表了一篇在历史上具有重要意义的文章——《论EPR佯谬》。

贝尔做了两点假设：一、局域性，没有任何相互作用的客体不会相互影响，或者说不存在超光速的关联。二、实在论，测量之前存在有客观实体。在这两点假设下，贝尔推导出，EPR佯谬的实验必定满足某个不等式，即贝尔不等式。

如果这个不等式永远成立，那就证明量子力学是不完备的，要用隐参数理论来替代量子力学。如果实验上发现贝尔不等式被违背了，那就说明爱因斯坦错了，量子力学是完备的，“幽灵”是存在的。

1972年，美国实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）最早根据贝尔不等式进行实验。遗憾的是，当时仪器太过粗糙。到了1982年，法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）的实验得到公认，贝尔不等式被违背，但仍存在漏洞。2015年，荷兰代尔夫特大学物理学家罗纳德·汉森(Ronald Hanson)团队完成无漏洞的贝尔不等式违背实验。

2022年，诺贝尔物理学奖同时颁发给阿兰·阿斯佩、约翰·弗朗西斯·克劳泽和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式，开创了量子信息学”。至此，这场历经90年的讨论有了最后的答案。

03量子纠缠与“超光速”无关

贝尔不等式也被称为“贝尔定理”，即如果一个理论是局域性的，那么它将与量子力学的预言相冲突，任何与量子力学一致的理论都必须是非局域性的。简而言之，量子世界是非局域性的。

经典世界是局域性的，量子世界是非局域性的，非局域性就是没有相互作用也会相互影响。为什么没有相互作用也会相互影响？两个物体有关联就会互相影响。

“EPR佯谬”是一个关联，我们要求A和B两个粒子自旋总是相反，这就意味着这两个粒子的自旋，物理量是关联的，关联就会互相影响，所以A的自旋发生变化，B马上也会变化，这种量子关联就叫“纠缠态”。

“纠缠态”就是关联，关联会导致瞬时变化，不需要传送任何信息。很多科普文章说“纠缠”就是超光速，这是完全错误的。纠缠来自于关联，关联的变化不需要传送信息，也就不存在超光速。

如果有100对纠缠态的粒子，100个A放在地球，100个B放在月球，同时测量所有的A和B，测量以后会出现什么情况？地球上测量A，向上向下是随机数；月球上的B，向上向下也是随机数。看起来好像没有关系，但实际上，这两个随机数是完全关联的。单看随机数是随意的，但两个进行比较一定是关联的，而且是严格的关联。

利用这个特性，我们可以用来做一件有意义的事——量子密码。一对一对的发生纠缠对，例如一对到Alice，一对到Bob，同时测量向上向下的自旋，最后得到的是两个完全一样的随机数，就可以作为密码。

量子世界的非局域性导致EPR实验中“幽灵”的产生，这“幽灵”就是量子纠缠，其物理本质就是“量子关联”。量子力学是完备的，“局域隐参数理论”是不成立的。量子没有错，错的是不了解量子世界非局域性的量子关联，正是量子关联导致“幽灵”出现。

04人类距离量子计算机还有多远？

随着世纪争论落下帷幕，量子信息诞生了，人类社会进入第二次量子革命的新历史时期。第一次量子革命伴随量子力学的诞生而来，让我们拥有了电脑、手机、互联网等经典技术。量子信息则带来了量子计算机、量子传感。量子技术的出现来源于量子原理，但技术本身是量子的，所以我们称为“第二次量子革命”。

第二次量子革命产生的最重要的技术就是量子计算，这是一项颠覆性技术。量子计算机如果得到普遍应用，人类社会将发生翻天覆地的变化，算力会提高到新的层次，量子算力会以指数级增长，超越现有的经典算法，超越现在的超级计算机。

量子计算机可以实现超级计算机无法完成的工作。例如，现在的动态密钥，电子计算机无法破解，但量子计算机可以。如果量子算力加上人工智能，10年以后就会诞生量子人工智能的新学科，量子算力的提高是量子信息发展里最重要的影响。

在研究量子计算机的过程中，还面临两大主要障碍。

第一是“消相干”问题。量子计算机是宏观的量子器件，环境不可避免地破坏量子特性，称为“消相干”。它会导致量子计算机自动地变成经典计算机，丧失并行运算能力。为了应对环境破坏下计算可靠的问题，科学家提出“容错纠错编码原理”，理论上可确保在消相干环境中量子计算机能可靠正确运行。但实际技术很难做到。

第二是人类尚未掌握精确操控量子状态和演化的技术，因此无法制备和精确操控量子比特数较多的量子芯片。

用于量子信息存储的量子编码是将有噪声的若干量子物理比特变成一个没有噪声的逻辑比特。噪声会带来计算错误，用无噪声的逻辑比特作为处理数据单元，数据就能保持完整。

这个编码实际上是把N个量子比特变成一个特殊的“纠缠态”，这个“纠缠态”的整体叫“逻辑比特”。用逻辑比特作为信息的处理单元，就是没有噪声的信息信号，这就是“量子容错”。如果量子比特的质量好，保真度高，那么编一个逻辑比特所需要的物理比特量就少，这就是保证量子编码的原理。

容错编码可以用于纠正操作过程的错误。当操作的精度高于某个阈值，如99.999%，可以纠正操作过程的错误，使得即使在错误环境中仍可获得可靠结果。通用量子计算机必须采用编码容错技术才能确保计算的可靠性。理论上可以实现，但现在我们的技术还达不到。

通用量子计算机需要约1000个逻辑比特，每个逻辑比特由约1000个物理比特编码而成，因此，通用量子计算机需要百万级量子比特。虽然距离技术实现还有很远的距离，但我们的进步非常快。

2016年，IBM公布了全球首个量子计算机在线平台，搭载5位量子处理器，用6个量子比特创造荧光。这是人类历史上第一次真正将量子处理器作为实际应用。2019年，IBM又推出全球首套商用量子计算机，命名为“Q System One”。

2024年1月6日，中国第三代超导量子计算机“本源悟空”上线运行。该量子计算机搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯”(共198个量子比特，包含72个工作量子比特和128个耦合量子比特)，是目前中国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。这是完全自主可控研发的产品。

“本源悟空”上线后影响很大，全世界有90个国家的64万人访问了云计算，其中有9万人带着问题在计算机上运行，现在已经完成了8万个项目。我国的量子计算水平目前位于国际第一梯队，但与美国还有差距，日本和德国等正在追赶，我们还要继续努力。

美国最近有两个非常重要的进展，第一个是IBM使用分块联接的方式扩展量子比特，发布了第一个1000量子比特量子芯片。第二个是哈佛大学米哈伊尔·卢金（Mikhail D. Lukin）研究组发布了第一台基于可重构原子阵列的逻辑量子处理器，成功在一个具有280个物理量子比特的系统中，制备48个逻辑量子比特，为开发真正可扩展和容错的量子计算机奠定了基础。

量子计算已从仅追求量子比特的增加进入到研发“逻辑量子比特”的新阶段。当然，距离实现通用量子计算机还有相当长的路要走。如果将量子计算发展看作一个人的成长，那我们现在大概还在七八岁。

05一生做一件事，值得

我从上世纪80年代开始从事量子研究，先后研究量子光学和量子信息。当时，国内这个领域的研究非常少。我的科研旅途曾经非常孤独，没有人支持，没有人理解，又不能放弃。学科刚起步，国内对国际上的研究水平了解也不多，因此筹措科研经费非常困难，这是我们面临的最大的问题。

从开始研究起，我就一直在宣传量子科学对国家发展的重要性，也坚信国家早晚会大力发展这个领域。因此，尽管一连18年苦坐“冷板凳”，我也没有想过放弃，因为我知道这对于国家发展的重要性。我曾经给钱学森写信，他很支持。直到2021年，我们的研究得到了重视，迎来了第一个大项目。国家逐渐意识到量子研究的重要性，慢慢地，从事量子研究的科研人员就多了，发展自然就越来越快。

现在年轻人多了，国家也给了很多支持，量子产业已经发展到了百花齐放的阶段。我用了一生的时间来做到这一点，也是完成了自己的使命，值得。

从量子计算新进展到数字人新应用，从传统文化再思考到无目标探索的新范式，从助力医药研发到关怀听障人群，从管理教育创新到科创成就中国未来……我们共同见证无限想象又充满温度的未来。

编辑：梁萍