中科院院士郭光燦：深刻把握量子科技發展趨勢

MEMS 2022-10-12 00:00

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習近平總書記在主持中央政治局第二十四次集體學習時強調，要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。為深入學習領會習近平總書記重要講話精神，深刻把握“十四五”時期乃至更長一段時間量子科技發展趨勢，對郭光燦院士進行了專訪。

面向未來，提前布局

記者：如何理解發展量子科技在推動科技強國建設，乃至服務社會主義現代化建設中的戰略作用？

郭光燦：習近平總書記指出，當今世界正經歷百年未有之大變局，科技創新是其中一個關鍵變量。他強調，量子力學是人類探究微觀世界的重大成果。量子科技發展具有重大科學意義和戰略價值，是一項對傳統技術體系產生沖擊、進行重構的重大顛覆性技術創新，將引領新一輪科技革命和產業變革方向。

通觀整個世界的科技發展，不僅量子力學是人類迄今為止最成功的科技理論之一，而且量子科技是國際競爭毫無疑問的焦點，主要大國都將其作為核心科技戰略，研究進展和成果從來都是“秘不示人”。

120年前，德國物理學家普朗克提出量子這一概念，宣告量子時代拉開帷幕。普朗克假定，光輻射與物質相互作用時，其能量不是連續的，而是一份一份的，一份能量就是“量子”。后來，科學家發現微觀世界有著與宏觀世界完全不同的特性，宏觀世界的物理客體，要么是粒子，要么是波動，它們遵從經典物理學的運動規律;而微觀世界的所有粒子卻同時具有粒子性和波動性，不遵從經典物理學的運動規律。由此，量子力學應運而生，而我們所熟悉的世界也被分為經典世界和量子世界。在經典世界中，物理客體每個時刻的狀態和物理量都是確定的;而量子世界的物理客體的狀態和物理量都是不確定的，概率性是量子世界區別于經典世界的本質特征。

迄今為止，在量子世界中尚未觀察到任何違背量子力學的現象。不僅如此，量子力學還催生了現代信息技術，造就了人類社會的繁榮昌盛。信息領域的核心技術是電腦和互聯網，量子力學理論是晶體管運行的物理基礎，晶體管是各種芯片的基本單元;光的量子輻射理論是激光誕生的基本原理，該技術的發展催生了當下無處不在的互聯網。因而現代信息技術，本質上源自量子力學原理在經典世界的運用，其特征是晶體管和激光器作為經典器件，遵從經典物理的運行規律。

20世紀80年代，量子信息技術應運而生，比如量子計算機、量子密碼、量子傳感等,這些技術不僅原理基于量子力學,器件本身也遵從量子力學。特別是這些器件應用了量子世界的特性，比如疊加性、糾纏、非局域性、不可克隆性等，其信息功能遠遠優于相應的經典技術?？梢哉f，量子信息技術突破了經典技術的物理極限，開辟了信息技術發展的新方向。一旦量子信息技術獲得廣泛的實際應用，人類社會生產力將邁入新階段。

正因為量子科技是面向未來的技術，是顛覆性技術，全世界還處在研究研發的早期，所以，哪個國家先跑到量子科技時代，其生產力就會高于其他國家，從而掌握主動權，取得發展優勢，占領發展高地。這就是習近平總書記所說的“把握大趨勢，下好先手棋”的原因所在。

當然，現在國際上科技競爭的主戰場還是經典技術、經典設備，但必須提早布局未來，不能等到科技落后了再去買、去租，直到被人家卡了脖子。關鍵核心技術是買不來的，一定要牢牢掌握在自己手里。從這個層面上看，我們就能更深刻地理解加快發展量子科技對促進高質量發展，對建設科技強國，對國家現代化建設，意義有多么重大。

加大投入，鍛長補短

記者：請您談談我國在量子科技領域的發展現狀，有哪些優勢、哪些短板？

郭光燦：我國在量子科技領域，總體上處在國際第一梯隊。比如，高保真度多光子糾纏、量子存儲等國際公認的很多基礎技術，我們在世界上都是最好的，可以說，我們的量子技術是國際一流水平的技術。再如，我們的量子保密通信技術雖不好說領先，但走在了國際前列，且已逐步邁向實用化產業化。之所以不好說領先，是因為我們不知道國外究竟發展到了什么水平，特別是美國，已經多年不通過公開發表學術論文公布技術指標和細節。但是，我們有自信說已走在國際前列，這是因為問題都是我們自己解決的、國產化全是我們自己做的、專利都是我們自己的，而且很多專利還是國際專利，是任何國家也繞不過去的技術專利。

與此同時要認識到，我們與國際領先水平還是有差距的，特別是研發投入與歐美國家相比還遠遠不足，在一些關鍵領域我們仍處于落后追趕的狀態。

記者：把握量子科技發展趨勢，在您看來切入點和突破口是什么？

郭光燦：我認為量子計算機最重要。量子計算機不是修修補補的技術，而是天翻地覆的技術，是量子科技中最有標志性的顛覆性技術，只

有當通用量子計算機獲得廣泛實際應用之時，我們才可斷言人類社會已進入量子技術新時代。

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息、運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的運算能力同電子計算機相比，等同于經典計算機的運算能力同算盤相比，它能夠將經典計算機需要幾萬年來處理的復雜數據，縮短至幾秒鐘，一旦廣泛運用，人類社會各個領域都將發生巨大的變化。

在國家影響力方面，量子計算關系到一個國家未來發展的基礎計算能力，一旦形成突破，會迅速建立起全方位戰略優勢，引領量子技術時代的國際發展。在經濟影響力方面，量子計算機會形成龐大的產業鏈，帶動材料、信息、能源等一大批產業飛躍發展，為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供解決方案，從而為提高國家整體經濟競爭力創造條件。

在科技影響力方面，當前計算機的數據處理能力已經無法滿足信息量爆炸式增長的需求，而量子計算機則可以有效滿足這一需求，同時，量子計算對于生物制藥、機器學習、人工智能等領域也將產生深遠影響。在軍事影響力方面，量子計算機有可能改變未來戰爭的形態，掌握其核心技術能夠極大地增強國防綜合實力。在國家信息安全方面，量子計算機最受關注的重要應用之一，就是破譯現代密碼體系，研究表明，目前廣泛使用的RSA公開密鑰體系在量子計算機面前將不堪一擊，屆時基于經典保密系統之上的安全體系將變得無密可言，因此，其對國家安全體系的重大意義不言而喻。

目前，量子計算機研制已經進入一個十分關鍵的時刻，國際上的超大計算機、信息企業都投入了巨大的人力物力進行研制，比如微軟公司成立了量子體系結構與計算研究組，谷歌公司與美國國家航空航天局聯合成立了量子人工智能實驗室，英特爾公司斥巨資投入量子計算機研發，等等。當然還有美國、日本、歐盟、澳大利亞等國家和地區已紛紛啟動量子計算項目。我國經過一系列創新研究，在某些方面已經處于國際領先地位。但總的看，通用量子計算機還有相當長的路要走。

記者：其中有哪些是需要加強和注意的？

郭光燦：要突出量子計算機的重要性和顛覆性地位。當前，量子計算機的研究已經從實驗室階段向工程技術化階段邁進，越來越多的研究單位和大型公司企業將進入，從而加速可實用化通用量子計算機研制的進程。從先進的發展模式而言，各大公司與研究機構合作研制量子計算機是集科研機構、公司、政府部門等于一體的研發模式，這可能是未來推進量子計算機研制的一種有效模式。

對于量子科技的長遠發展，值得注意的是，國家重視是好事，但要防止各地一哄而上。量子科技門檻高，不容易跨過去，不能盲目搞量子產業，關鍵要看各自的條件，有條件的地方可以加強、加快。

為國家盡責，為學科續薪

記者：習近平總書記在政治局集體學習和黨的十九屆五中全會上，分別強調了堅持創新自信和科技自立自強，請談談您的理解。

郭光燦：我從事量子科技研究，到現在已近40年。1984年回國后，當時主要干了兩件事：一是開設量子相關課程，一直堅持到現在；二是召開國內的量子光學會，由于太冷門，這個會是“借巢下蛋”，打著激光專業委員會的名義召開的，參會的人也幾乎都是抱著好奇的態度。就這樣，摸爬滾打了十幾年。

2001年,我拿到973計劃項目,從此開始在比較大的范圍里獲得支持。資金到位后，我想，量子信息要發展不能只靠一家，這樣無法在國際上競爭，于是，我組織了來自北京大學、清華大學、中科院物理所的50多名技術骨干，把資金分了下去，共同推動這項事業。事實證明，這個決定是正確的。到現在，在國家持續支持下,這支隊伍里已誕生了5位院士，他們帶領多家科研基地全面繁榮，使我國量子科技水平躋身國際第一梯隊。可以說，最初埋下的一粒種子，終于長成了姹紫嫣紅的百花園。

我是40年只做了這一件事，也還會繼續做下去。談到堅持創新自信和科技自立自強，我有著切身的感受。

一是自信自強來源于國家的強大。量子力學誕生那一年，正值八國聯軍侵華，那時我們是個落后的國家，吃不飽穿不暖，社會黑暗，創新能力自然跟不上去。但是現在，我們國家已經是世界第二大經濟體，中國正在從富起來走向強起來，國家對自主創新越來越重視，制度機制保障越來越成熟完善，投入的資金也越來越多，幾乎每年都是大幅度增長，比如我們的儀器已經達到國際領先水平，這讓我們對科技的發展充滿自信。

二是自信自強來源于民族的勤奮。中國人的智力不比任何人差，而且更加勤奮，更有勤勞的習慣、奮斗的精神，再加上經濟條件跟了上來，我們應該有這個自信和底氣，一定不會在競爭中落后于人，一定會創造更大的輝煌。這方面，我的信心是很強的。

三是自信自強來源于人才的培養。近40年里，我一直堅持自己培養人才。從國外引進當然很好，但我認為自己“造血”更重要。在我看來,一個強國一定要自己培養一代又一代杰出的青年人才。我們實驗室里一共40多人，其中獲得過省級以上杰出青年、優秀青年榮譽的占到了一半，全是我們自己培養的，同樣從事著世界一流的工作。這么多年我始終堅信，在我們自己的國土上，一定能培養出更多有國際影響力的年輕人。

四是自信自強來源于信念的堅守。一路走來，碰到了很多困難，但有困難是應該的,特別是對于新生事物來說。很多人問我有沒有打過退堂鼓，我的回答從來都是“沒有”，這是實話，因為我相信，我鉆研的這個方向是對的，未來一定對國家很有用。為提高國力作出科學家的貢獻，為國家利益拼命奮斗，這是我們的責任所在。當然，這期間也經歷了不少誘惑，但我還是堅守了下來，如果沒有這種信念、這個自信，可能很難堅持下來。

記者：您有沒有自己的偶像?

郭光燦：“兩彈一星”的功勛都是我的偶像，他們沒有個人私利，就是報效祖國，這種偉大的科學家精神，值得我們一輩子去學習。還記得當年面對種種困難，我鼓足勇氣給錢學森寫了一封信，在信里我講述了量子科技的重要性，希望國家能采用“兩彈一星”的辦法在這個領域取得突破。沒想到的是，當時已坐在輪椅上的錢學森帶病給我回了信,在信里，他表達了對發展量子科技的支持，后來還推動撥款給國防科大研究量子計算機。

“功成不必在我，功成必定有我。”今天，看到國家如此重視量子科技，我夢寐以求的心愿達成了，有了這么好的條件，我希望年輕的學術帶頭人一定要心懷“國之大者”，站在國家需求和大的布局的角度考慮問題，開展工作，團結國內所有的科研力量，直面國際競爭，共同為國家利益奮斗。

注：本文原題為《學習領會習近平總書記重要講話精神，深刻把握量子科技發展趨勢——訪中科學量子信息重點實驗室主任、中科院院士郭光燦》