专访牛津副校长:重金加码量子技术,英国希冀科学“日不落”

澎湃新闻记者 虞涵棋

2017-09-02 08:44 来源:澎湃新闻

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人类距离第一台量子计算机还有多远?牛津大学副校长、英国量子信息技术中心(NQIT)主任伊恩·沃姆斯利(Ian Walmsley)笑着说道,这个问题起码值几十亿美元,他倒也很希望自己能够回答。
牛津大学副校长、英国量子信息技术中心(NQIT)主任伊恩·沃姆斯利(Ian Walmsley)。
随着“摩尔定律”趋向极限,量子计算已经成为必争之地。这无疑是一场豪赌:各家科技巨头都相信,自己重金押注的路径,能抢先开发出商业化的量子计算机,摘得“量子霸权”(Quantum Supremacy)。“量子霸权”是加州理工学院教授约翰·普雷斯基尔(John Preskill)提出的概念,指的是当人类可以操控超过50个量子比特时,量子计算机的计算能力就能超越目前最好的经典计算机。
作为行业领头羊,谷歌选择了超导回路技术。今年6月,谷歌宣布成功研发含有20个量子比特的处理器,并将在2017年底前增至49个量子比特,直指“量子霸权”。超导回路是量子计算领域近期发展最快的方向,IBM也已为此投入大量资金。另一科技巨头微软则选择一个尚未得到验证的方向:拓扑量子比特。
沃姆斯利介绍道,虽然英国量子信息技术中心也在探索超导回路,但他们的主攻方向是一项发展较为成熟的技术:离子阱。所有这些路径,成功率都是未知的。“谷歌说今年就能实现量子计算机。其他几家也都说自己有独到的优势。看起来,量子计算机成真的日子就快要到来了。我可能会说几年后吧。” 沃姆斯利说道。
不过,沃姆斯利提醒道,所谓的“量子霸权”,也仅仅只是第一步:在一些特殊任务上,量子计算机可以超过最好的经典计算机。“这些任务是专门为量子计算机胜出而设计的‘游戏’,没有任何实用价值。”
沃姆斯利甚至认为,量子计算机其实并没有很多人想象的那么重要:“量子计算机不可能取代经典计算机。量子计算机和经典计算机会各干各的活。我们手中的笔记本,不会像光盘一样直接被淘汰掉。”
英国国家量子技术项目:希冀科学“日不落”
沃姆斯利是超快光学与量子光学领域的著名学者,英国皇家学会、美国光学学会、美国物理学会和英国物理研究所的成员。他从2009年起担任牛津大学科研副校长,主管科研和创新工作。
在2013年的秋季预算中,英国政府专门拨款2.7亿英镑(约合25亿元人民币),支持英国国家量子技术项目(UKNQTP)的第一个“5年计划”。项目包含4个研究中心,分别由四所高校主持。除了牛津大学领导的量子信息技术中心之外,还有伯明翰大学领导的量子传感和测量中心、约克大学领导的量子通信中心、格拉斯哥大学领导的量子先进成像中心。
沃姆斯利说道,英国政府很早就圈定了一批有潜力推动经济发展、值得深耕的“未来技术”,量子技术就是其一。“我们希望英国能继续保持科技大国的地位,牛津大学所做的这一切,就在尽一份力。”
量子技术:10亿英镑的未来产业。
根据英国政府曾发布报告,指出中国在量子技术的论文发表上排全球第一;美国在量子技术的资金投入和专利申请上排全球第一;英国的综合排名处在全球第三位。为了保持与中、美、加拿大的竞争力,欧盟计划于2018年启动长达10年、规模10亿欧元的量子技术旗舰项目。
面对“群雄逐鹿”的局面,沃姆斯利认为,英国在量子技术投资起步很早,在项目规划和实施上有一定优势。在总计2.7亿英镑的预算中,他领导的量子信息技术中心拿到了3800万英镑经费。“我们中心正在不断提高单个组件的性能。我们开发出了目前世界上最好的量子逻辑门和最成熟的计算机体系结构。我们已经开始规划下一个5年,进一步与产业界合作。要想让量子技术走向实用,这是非常关键的一步。”
与产业的密切合作,是英国国家量子技术项目的一大特色。项目明确指出,要建立一个“政府、学界、产业界的量子技术共同体”。沃姆斯利以量子信息技术中心为例,介绍了其中的合作方式:“首先,一些产业界人士会在项目设计时提供建议。其次,我们的一些产业合作者未来会成为量子技术供应链中的缓解。第三,一些合作者会发掘、利用中心里涌现的新点子。最后,一些合作者是量子计算机的潜在用户。他们在探索量子计算如何为他们所用的同时,帮助塑造了我们这个项目。”目前,中心与将近30家企业建立了合作关系。
NQIT“产业日”。   UKNQTP 图
不过,对大多数人而言,量子技术不仅晦涩深奥,而且缥缈难测。毕竟,量子技术整体还停留在理论设计的层面,很多路径都未曾得到验证。说服投资者是一个关键的过程。“是的,量子计算仍属于未来,但我认为它是可以实现的”,沃姆斯利说道,“我们会开发一些模拟量子计算机的程序,在高性能经典计算机上运行。虽然表现会受限,但起码你能对这种未来的机器有那么一点概念。我们想让产业界参与进来,一起探索可能性。一旦有所进展,他们就会乐意投资更多。”
此外,4个量子技术中心在术业有专攻的同时,也在多个层面上交流合作。沃姆斯利举例道,量子计算用以冷却离子的技术,就与原子传感器采用的技术类似。量子计算采用的网络协议,也与量子通信有共通之处。
离子阱与量子计算
经典计算机的比特要么是“0”,要么是“1”,而量子计算机中的量子比特,可以同时是“0”和“1”。1997年的诺贝尔物理学奖得主威廉·菲利普斯曾说过,量子计算机和经典计算机之间的差距,比经典计算机和算盘之间的差距还要大。
什么是量子?量子是物理学中不可再分的基本单元,由德国物理学家普朗克在1900年首次提出。比如,光子就是量子性的,不存在“半个光子”的说法。
科学家们在量子这个维度的世界上,发现了许多奇妙的现象,比如量子“叠加态”。量子比特可以同时处于“0”和“1”的叠加态,就像薛定谔那只既生又死的猫。如果我们有400个量子比特,就可以存储2的400次方个信息,这无疑是个天文数字。此外,叠加态的特性,也让真正意义上的并行计算成为可能。
而为了实现量子逻辑门计算,科学家们还需要利用另一种量子的奇妙现象:纠缠态。处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联,其中一个量子状态发生改变(比如人们对其进行观测),另一个的状态会瞬时发生相应改变,仿佛“心灵感应”。
通过激光,人们就能实现原子的纠缠。这些经过超冷处理的原子被囚禁在真空中,由激光束组成控制离子状态的通道网络。一个离子阱就像算盘一样,不断把原子们拨来拨去。而这个网络结构是可以不断扩张的。沃姆斯利说道,如果说谷歌的超导回路是一个芯片的话,他们的方案就是制作很多个小芯片。一个个离子阱,可以通过光学元件进行连接。英国量子信息技术中心的最终目标,是制造一台Q20:20的量子计算机样机,包含20个离子阱,每个离子阱里囚禁20个原子。这等于说是一台400比特的量子计算机。
不过,目前中心只拿到了5年的经费。沃姆斯利介绍道,在第一个5年内,他们要显示出搭建起这种网络的能力,完成所有必要的基本元素。在下一个5年内,他们会试图搭建起一个足够大的网络,以演示简单的算法,或实现足够长时间的量子储存。如果这些都做到了,再下一个5年,他们将制造完整的机器。
沃姆斯利也注意到了中国在量子计算,尤其是模拟机方面的进展:“中国擅长利用冷原子技术或光学技术制作处理器。我想这个领域会更早实现,只是会应用于一些更为细分的任务。这是一个量子计算与传统计算技术之间的杂交领域,国际竞争也很激烈。”
中国目前是量子通信唯一玩家
自5年前首次访问中国以来,这已经是沃姆斯利第四次拜访这个国家。“近10年来,中国在科学方面的投入大大增加,我们也有了更多的交流机会。”他说道。
即使还在英国的时候,沃姆斯利也已经感受到中国的变化。2004年,他收了第一个中国研究生。他笑着说:“他现在在南京大学当教授。这也是交流增加的方式之一。我可以更频繁地过来了。”沃姆斯利非常欣赏这种派出留学生再“海归”的机制,“这是促进整体科研的关键部分。”
沃姆斯利认为,中国最近在科学和教育方面的发展速度十分惊人,假以时日,实力会更加雄厚。即使就眼下而言,中国也站在了国际科研竞争的前沿。2016年8月,中国发射了全球首颗量子通信卫星“墨子号”。沃姆斯利评价道,这是一项了不起的成就:“目前,中国肯定是量子通信领域的唯一玩家,未来也很有可能一路领跑。中国政府的投入、中国科学家的研究成果,举世瞩目。我认为这是一种良好的路径:理论驱动技术进步。”
全球首颗量子通信卫星“墨子号”。
不过,近来中国在科学大装置等领域的投入也引发了一些争议。杨振宁就公开反对中国上马大型对撞机。沃姆斯利同样认为,平衡科研投入和民生投入不是一件容易的事,但科研能帮助我们应对未来的挑战:“我们需要解决或缓解眼前特定的问题,但我们也需要新的发现。未来还会有新的问题涌现,我们现在就需要进行基础研究,这样未来才能产生新的发现,以帮助解决那时候的问题。当然了,我们一定要尽力鼓励那些高质量的好点子。此外,建立一种将科研发现与现实问题结合的机制也很重要。两者都不能忽视。”
作为世界上最古老的大学之一,牛津大学培养了27位英国首相和50余位诺贝尔奖得主。而关于如何建立一所世界顶级大学,沃姆斯利的“经验介绍”异常简单:“专注做最好的科研工作,提供最好的教育。如果你能专注地做好这些,就能取得卓越。”
责任编辑:贺梨萍澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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