中山大学教授罗乐谈量子科技的战略意义与发展建议

2024年开年,美国西北太平洋国家实验室(PNNL)与微软的量子团队合作,利用微软的Azure量子计算云平台进行化学模拟(模拟复杂的分子结构和化学反应过程),在不足4天的时间对3200万种无机材料进行了评估,从而发现了23种(其中5种为已知)有潜力的固态电池材料。而如果使用传统方法发现这些新材料,其过程需要耗时二十多年。

将科研人员需花二十多年时间实现的事情缩短到几天之内,对绝大多数人来说有些难以置信,但在罗乐看来这不过是预期内的事情。

从事量子技术研究十数年的罗乐告诉《环球财经》记者,按照目前量子计算技术的发展速度,传统的化学、材料工业在20多年后将会变革转型,化学、材料以及制药业将变成一个可计算的领域,以算力的形式存在。不仅如此,罗乐表示,未来人的生命健康伴随量子计算技术的成熟将可以被测算出来,从而做到未病先知,人们就可以及时进行预防与调整。

罗乐,现为中山大学教授、启科量子联合创始人兼首席科学家。罗乐是于2008年下半年开始进行量子技术研究的,那一年,原子物理学基础扎实、如期获得美国杜克大学物理学博士学位的他来到联合量子研究所(由马里兰大学和美国国家标准研究所联合建立),在克里斯·门罗(ChrisMonroe)研究组进行为期三年的博士后研究。

有必要提及的是,罗乐的博士后导师门罗教授于20世纪90年代曾就职于美国国家标准研究所,在大卫·维因兰德(DavidWineland)领导下从事离子囚禁和操控方面的研究。1995年,维因兰德与门罗等在实验室里利用囚禁的离子实现了世界上第一个量子逻辑门,并利用囚禁的原子离子进行了首次可控量子比特(Qubit)演示。这一里程碑式的成就不仅意味量子计算从纯理论走进实验室,也助力维因兰德于2012年获得诺贝尔物理学奖,而作为维因兰德的得意门生,门罗专注于离子阱(又称“离子囚禁”)系统的研究,2007年转入联合量子研究所后取得了一系列的尖端研究成果,这些研究成果也助力他成为美国科学院院士。2015年,认为有必要通过市场需求促进量子信息技术进步的门罗与合作伙伴创业,组建了基于离子阱技术路线的量子计算初创公司IonQ,此后该公司在纽约证券交易所挂牌上市,成为“量子计算第一股”。

罗乐就是在门罗转入联合量子研究所后不久加入其团队的。当时,刚30岁出头的他参与了门罗领导的囚禁离子量子计算机研发计划,他通过远距离间两个离子的纠缠实现第一个隐私保护的量子随机数产生器,提出可拓展的原子光子量子网络实验方案,结合囚禁离子阱与空腔电子电动力学技术实施增强的量子界面,以及在半导体芯片离子阱上实施量子逻辑门。

在门罗研究组3年充实的博士后时光对此后罗乐的研究生涯产生了重要影响——开启了他的离子阱量子计算机研究之路,也让他此后致力于将离子阱技术路线发扬光大。2011年7月,博士后出站的罗乐来到美国印第安纳大学-普渡大学印第安纳波利斯分校(IUPUI),任职期间组建了原子与离子囚禁实验室,在原子分子光物理,量子信息、精密测量领域开展了活跃的学术研究。2016年,罗乐回到祖国,在中山大学物理与天文学院担任教授,并组建了量子信息与测控的科研团队。但在大洋彼岸博士后导师门罗成立量子计算初创公司之事也让罗乐获得启发,并在其心里种下了种子。

2019年,在国家鼓励科学家创业背景下,经与曾在量子研发项目中合作的留美工程专家陈柳平及企业家李杨的协商,陈柳平、李杨、罗乐三人决定携手创业,联合成立了启科量子。

作为亚洲首家以离子阱为技术路线的量子计算初创公司,启科量子于2022年底推出了国内第一台模块化和工程化的离子阱量子计算机。作为启科量子成立后的一个破冰成果,罗乐向《环球财经》记者强调,这台离子阱量子计算机不是一个实验装置,而是可以由程序员进行操纵的,并且这个成果也起到了示范作用,2023年国内又有3、4家企业开始跟进。值得一提的是,虽然启科量子成立于2019年,但在2022年及之前的《量子信息技术发展与应用研究报告》(中国信通院编制)中,对启科量子并无提及,但在2023年的该主题报告中,启科量子出现了三次。这意味启科量子已在我国量子信息技术发展与应用中发挥着积极地促进作用。

《环球财经》记者了解到,自2022年底推出破冰成果后,启科量子在一年多时间里又连续推出了三项标志性成果,目前累计取得159项发明专利、183项实用新型专利、42项软件著作权,并参与了32项行业标准制定。

成果是打开大门的钥匙,启科量子也因此获得了国企、央企的青睐。先与中国移动研究院签署战略协议,成为中国南方电网的数字电网产业链单位,又与上海计算机软件技术开发中心(下称“上海软件中心”)联合成立“上海量子软件技术研究与验证中心”。在2024年初召开的首届创新论坛暨上海软件中心成立四十周年大会上,启科量子进一步与中交通信大数据(上海)科技有限公司、上海软件中心签署了共同建设“量超融合”算力枢纽中心的三方战略合作框架协议,这意味,启科量子与“中字头”企业的合作达到3家,也标志量子信息技术的场景应用在我国交通领域迈出了积极的一步。在本次三方战略合作框架协议签署之际,《环球财经》记者对出席该活动的罗乐进行了采访,请他就量子信息技术等量子科技的发展与应用进行了解读。

环球财经:量子信息技术的重要性体现在哪些方面?

罗乐:以量子计算为例。我们知道,美国在GPU领域领先一步,并对GPU出口进行了管控。但与未来的量子计算相比,GPU就如算盘,两者在算力上的差距将是算盘与现在的电子计算机一样。量子计算的超强算力可以让我们实现真正的仿真。

环球财经:为何量子计算会比经典计算快那么多,其意义是怎样的,如对人类社会将产生哪些重大影响?

量子计算和经典计算不一样,我们知道经典计算机的工作原理是基于二进制的位运算,计算就是靠0和1,但这限制了计算机的计算能力。这就好比地球仪,人们只能通过南、北两极间的变化来记录数据。但地球仪上只有南极、北极两个点吗?当然不是,地球仪上还有无数个点。而当将所有的点都用起来时,计算能力就会发生颠覆性的变化。

类似于这种将所有的点都用起来进行计算的方法就是量子计算,也就是利用量子位的量子叠加和量子纠缠来进行运算。

环球财经:进行量子计算的方法有哪些,启科量子采取的技术路线是?

罗乐:目前,整个物理学界构建量子计算机的方法可以分为三种,一是用光子进行量子计算,二是用电子,三是用原子,三种体系各有优缺点。启科量子是选择用原子进行量子计算。

环球财经:您预测哪种技术路线会最终胜出?美国在主攻哪种技术路线?

罗乐:目前这两种技术路线距离大规模量子计算都还有距离,最后哪一个能够胜出,或者是否会出现两种技术路线长期共存的情况,现在很难说。

在美国两种技术路线是齐头并进的。这里有必要回顾一下晶体管与电子管的技术路线之争。

在20世纪50年代电子信息工业发展初期,是将资源倾向于电子管还是晶体管出现了强烈的争议。最初,电子管占优,因为电子管的体积虽然大,但是很稳定,相对,晶体管材料不稳定,制备也很难。

当时美国就是并行,其中硅谷的民营企业是以晶体管路线为中心,国防部门是以电子管为中心,并通过某种情报手段误导了苏联。苏联将90%的资源都投入到了电子管路线,忽视了晶体管。但随着时间的推移,人们发现电子管路线在除了雷达之外的其他方面都劣于晶体管。

环球财经:也就是说某一技术路线在起跑初期它可能是占优的,但它技术进步的天花板可能会比较低?

罗乐:是的,技术进步的天花板无法预测。在初期不占优的技术路线,因为它技术进步的天花板比较高,就会在发展中完成超越。量子这么重要的技术领域,不能重蹈前苏联覆辙,肯定要多种技术路线都关注,多头并进。

环球财经:对加快促进我国量子信息技术的产业化,您有哪些宝贵建议?

罗乐:量子计算、量子通讯、量子传感等量子科技的产业化不可能依靠单个的量子企业,需要很多上、下游的支持,这一方面需要强基础,将产业链的基础打扎实,另一方面需要找到一些对大算力敏感的场景与应用来推动产业化。一前、一后,共同拉动才能促进新兴技术的产业化及产业的高质量发展。

注:本文为节选,全文请参见《环球财经》2024年2-3月合刊“《战略2024》特辑”(出版日期:2024年3月3日)

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