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量子计算的炼成,从一封回信开始说起

发布时间:2021-07-17

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7月10日,

一份钱学森与郭光灿量子信息书信讨论手稿(珍贵历史文献复印件)

现身由网信办等单位联合举办的

第五届“强网杯”系列活动中

记者联系了这份手稿的收藏者:

中国科学院院士、

中国科学院量子信息重点实验室主任

郭光灿

他向记者展示了手稿原件

并讲述了手稿背后的故事


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钱学森来信


给钱学森写信

1998年,56岁的郭光灿决定给钱学森写信。

现年79岁的中国科学院院士郭光灿硕果累累,名满全国。但在当年,他根本不认识钱学森。郭光灿给钱学森写信,是为了他多年以来一直瞄准的突破口“量子信息”。

1981年,诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼(Richard Feynman)首次提出量子计算机概念。同年,郭光灿被公派到加拿大多伦多大学担任访问学者。回国后,郭光灿积极推动国内量子光学的研究。上世纪90年代,当量子信息作为一门新兴学科在国际学术界悄然萌芽时,郭光灿敏锐地意识到,这是极富生命力的崭新发展方向,是中国可能在国际学术界占据一席之地的大好机遇。他果断地选择了这个方向,并将团队的全部力量投入了进去。


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中国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭光灿

到了1998年,郭光灿已经在这条路上摸索了很久。他想谋划组织“量子通讯和量子计算”香山科学会议。这是一步好棋。香山科学会议是中国科学界的“传统项目”,由科技部(原国家科委)发起,会议以基础研究的科学前沿问题与我国重大工程技术领域中的科学问题为会议主题。

手续都办完了,有一个事情却犯了愁。按照惯例,每次香山会议都要找一位著名科学家主持。这位“著名科学家”去哪找?郭光灿想起了钱学森。在给钱学森的信里,他邀请钱学森来主持“量子通讯和量子计算”香山科学会议。

时隔二十多年,郭光灿向记者回忆信的细节时依然印象深刻:“我说中国要在这个领域(量子信息)竞争,就要集国内的力量搞。”他在信里写道:“要像当初搞两弹一星那样的方式组织国内最厉害的队伍,集中火力来搞(量子信息)。”


“ 国家大事 ”

令郭光灿没想到的是,他很快就收到了钱学森的回信。

开门见山,钱学森在信里说:“我很同意您说的应统一组织全国力量攻克量子信息系统的技术问题。此事关系到国家大事。”

但他同时说:“现在是社会主义市场经济时代,时代不同了,老一套方法是行不通的。”

这给了郭光灿很大的鼓舞,也带给他思考。1997年,中国政府采纳科学家的建议,决定制定国家重点基础研究发展规划,开展面向国家重大需求的重点基础研究。这是中国加强基础研究、提升自主创新能力的重大战略举措。郭光灿从收到信的那一年开始申请“973”项目。他认为,“973”瞄准的是“国家重大需求的基础研究”,而将来量子信息、量子密码都是国家需要的,应该得到资助。

然而第一年、第二年把材料交上去后,却杳无音讯。当时专家组的部分专家认为,经典信息尚未完全研究清楚,还搞什么量子信息?

直到2001年,国际上量子信息已经比较火了,国内也逐渐意识到其重要地位,郭光灿终于在第四次申请时成功获批,这个项目是我国量子信息领域的第一个“973”项目。他把国内这个领域的主要队伍都拢了起来——十几家参与单位,五十多位骨干研究人员。这支队伍成为日后中国量子信息科研力量的一支重要班底。


量子计算是如何炼成的?

要想把钱学森心中的“国家大事”办成,并不是一件容易的事。这其中最大的障碍就是钱。

郭光灿认为:量子革命当中最具有代表性和颠覆性的就是“量子计算机”。2005年,郭光灿请来六位国外的一流专家,在实验室开了一个内部研讨会。就是在这次研讨会上,实验室确定了方向。“当时就明确了,量子计算机一定是固态的,分为超导和半导体两种(计算机)。”

这种布局是超前的。郭光灿的学生郭国平,自告奋勇主导量子计算机的研发和设计。但当时没人看好,也没人给钱,到处碰壁。

量子计算研究是个“烧钱”的活。郭国平回忆:搞半导体加工的装置太费钱了。刚开始搞的时候,做一个芯片要到国外去做,拿回国来实验,芯片坏了,再拿到国外修,一来一回三个月就过去了。

折腾了几次,郭光灿痛定思痛,一定要搞一套自己的简易的半导体加工设备,“至少要把实验做起来”。

当时,郭光灿已经把实验室所有的钱都“赌”在量子计算上,但还是不够。穷人要过日子,就得想办法。他跑去跟中国科大借钱,前后借了两次,一笔500万元,一笔300万元,全部用来买设备。

最困难的时候,郭国平跑去问郭光灿:到底什么时候才能有钱(做实验)?郭光灿的回答很“艺术”:我一定能搞来钱,但我也不知道是什么时候。

郭光灿的“底”在于他相信量子计算的重要性一定会得到学界的认可。一直到2010年,“固态量子芯片”入选了国家“超级973”科技专项,一下拿到1亿3千万元科研经费,钱的焦虑才得到缓解。为这件事,中国科大还特地奖励了郭光灿实验室一千万元。

从北京回来,郭光灿一算账,还了之前借的800万,还赚了200万。当年,量子计算就是这么一笔一笔搞起来的。


手稿原件将捐赠中国科大博物馆

时至今日,钱学森信中提及的、几代科学家心心念念的“国家大事”的脉络已经愈发清晰。

量子力学不再仅仅是理论物理学家和数学家感兴趣的理论,实验物理学家和工程师们已经将其作为一种能够创造巨大价值的重要技术手段。

以量子计算为例:超级973项目“固态量子芯片”在2013年取得重大突破,郭国平研究组成功在“一个电子”上实现10皮秒级量子逻辑门运算,将原世界纪录提高近百倍。


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国产量子计算机

2020年,源起于中科院量子信息重点实验室的本源量子正式推出了国产工程化的超导量子计算机本源悟源,搭载6比特量子芯片夸父KFC6-130组装完成,采用超导方案,并通过本源量子云面向全球用户提供量子计算服务,与IBM、Google、Intel等国际巨头共同竞争。

与此同时,持续三十多年的“量子竞速”正日趋白热化。2019年9月科技巨头谷歌(Google)一份内部研究报告显示,其研发的量子计算机成功在3分20秒时间内,完成传统计算机需1万年时间处理的问题,并声称是全球首次实现“量子霸权”。

“量子计算机的发展要经历量子原型机、量子霸权和量子通用机三个阶段,目前人类正在走向量子霸权阶段。”郭光灿表示:“即便是霸权出来了,我们也不能说量子计算机做好了,因为距离通用机还相当远。”

他告诉安徽商报融媒体记者:他打算将钱学森的手稿原件捐赠给中国科大博物馆,“那是我们出发的时候一份重要的嘱托”。