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郭光灿院士:量子计算机研究要让年轻人尽早上手

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来源:人民日报

原标题:中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿——

四十余载追寻量子之光(弘扬科学家精神)

人物小传

郭光灿,1942年生,福建泉州人,中国科学院院士,中国科学技术大学教授,中国量子光学和量子信息科学的开拓者之一。他长期从事量子光学与量子信息的教学和科研工作,率先将量子光学理论体系引入国内,推动我国量子信息科学发展。曾获国家自然科学奖二等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖等荣誉。

早上7点半,中国科学技术大学校园内,中国科学院院士郭光灿(见图左二,本报记者徐靖摄)匆匆地走向中国科学院量子信息重点实验室。这栋不起眼的小楼里,汇聚了量子密码与量子器件、半导体量子芯片、量子纠缠网络等多个领域的研究小组,量子避错编码原理、量子概率克隆原理等一系列成果均诞生于此。

从上世纪80年代将量子光学理论体系引入国内,到90年代率先在国内开展量子信息科学研究,再到后来致力于打造我国自主可用的量子计算机,郭光灿在量子领域已经深耕了40余年。

“一定要把我们的量子光学研究做起来”

量子光学是研究光场量子特性及其与物质相互作用的前沿学科,它揭示了光不仅具有波动性,更由离散的光子构成。研究探索光的量子态(如相干态、压缩态)、量子纠缠等非经典现象,可以推动量子通信、量子计算和超精密测量等技术的突破性发展。

上世纪80年代初,量子光学研究在国际上已经发展了20多年,但在中国还是空白。1981年,39岁的郭光灿作为改革开放后首批公派学者赴加拿大学习,其间接触到量子光学的前沿研究,他暗下决心:“一定要把我们的量子光学研究做起来。”

郭光灿出生于福建的一个渔民家庭,尽管家境贫寒,但母亲坚持送3个孩子读书。郭光灿1960年考入中国科学技术大学无线电系。“因为当时想学半导体,就报考了中国科大的无线电系。后来才知道,半导体专业设在物理系,不在无线电系。”郭光灿说,“但也正因为这个机会,我赶上了中国科大无线电系设立气体激光新专业。我对这个方向很感兴趣,从此与光学结缘。”

留学归国后,1984年,在中国科大的支持下,郭光灿在安徽滁州琅琊山主持举办了全国第一个量子光学学术会议。郭光灿说:“虽然大家对很多概念还搞不懂,但形成了一个共识,这个会应当坚持开下去。”

此后的40年里,量子光学学术会议每两年举办一次,从未间断。“1984年第一届时,只有几十人参会,到2024年第二十一届时,参会人数超过800人,量子光学领域受到更多人的关注。”郭光灿说。

随着关注度不断提高,如何能够更好地培养量子光学研究人才,成为郭光灿思考的重要课题。郭光灿在国内开设了第一门量子光学课程,课程讲义也于1991年结集出版。很多研究人员正是通过他的课程和讲义了解了量子光学领域,逐渐成长为量子研究的中坚力量。

“我们今天的成绩,与国家20多年前的支持密不可分”

在量子光学研究进度落后国际先进水平20年的情况下,郭光灿一直考虑寻找更有突破可能的研究方向。20世纪90年代初,他在阅读文献时看到一个名词叫“量子信息”,这是国际学术界提出不久的研究方向,但他敏锐地意识到这是个非常有价值的研究领域。

量子信息是一门基于量子力学原理,如叠加与纠缠等,来处理和传输信息的新兴交叉学科。其核心是以量子比特作为信息单元,旨在突破经典信息技术的极限,主要涵盖量子计算、量子通信和量子精密测量三大方向。

量子信息的基础理论恰恰就是郭光灿此前研究的量子光学基础理论,其创新之处在于将量子理论系统性地引入信息领域,从而为计算机、密码学等经典概念赋予全新的量子诠释。将信息量子化后,显示出来的性能就会比经典信息要好很多,有巨大的潜在应用前景,并将赋予量子光学以崭新的生命力。

郭光灿向一些科研机构提出建议,开展量子信息相关研究,却没有受到重视。甚至有人提出,“传统的经典信息尚未研究清楚,还搞什么量子信息?”“是不是伪科学?”

面对种种误解和挫折,郭光灿并不气馁。他意识到,要改变这个局面,必须从普及量子信息的概念入手,为此,他连续在业内知名学术期刊上发表文章,引起了国内一些学者的兴趣。

1998年,在由科学技术部(原国家科委)发起的香山科学会议上,郭光灿提出的“量子通信与量子计算”成为主题之一。会议主席、“两弹一星功勋奖章”获得者王大珩在会上说:“量子科学太重要了,必须要有中国人的声音。”

1999年,在中国科学院的支持下,郭光灿在中国科大成立了量子通信与量子计算开放实验室,此后升级为中国科学院量子信息重点实验室,成为我国量子信息领域第一个省部级重点实验室。

2001年,郭光灿申请到量子信息领域的第一个“973项目”。随后,他组建了一支由50多名研究人员组成的团队,这些成员来自国内10多个研究所和大学,覆盖量子密码、量子计算、量子通信、量子网络等诸多领域。5年间,他们不仅形成了一批研究成果,更培养了一支具有开拓创新能力的科研队伍。

“这是我国量子信息实现由‘从0到1’到‘从1到100’发展的一个转折点。我们今天的成绩,与国家20多年前的支持密不可分。”郭光灿说。

“量子计算机研究不是一代人能完成的事情,要让年轻人尽早上手”

2011年,郭光灿团队承担了科技部“固态量子芯片”项目,负责研发我国自己的量子芯片。虽然当时大家希望由郭光灿担任首席科学家,但他坚持由当时还不满35岁的中国科大教授郭国平担任。

量子芯片相当于未来量子计算机的“大脑”,其重要性不言而喻。“量子计算机研究不是一代人能完成的事情,要让年轻人尽早上手,可以干得更快、做得更好。”郭光灿说。

郭国平没有辜负期待,他带领团队于2013年成功在“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,在推动量子计算走向应用上迈出重要一步。

2017年,郭光灿和郭国平带领中国科学院量子信息重点实验室团队,联合创立了中国第一家量子计算公司——本源量子计算科技(合肥)股份有限公司。目标是研发出一台可供用户交互使用的工程化量子计算机,使得我国拥有自主可控的量子计算能力。

依托本源量子,郭光灿和郭国平加大实验室量子计算领域研究成果转化力度,已陆续推出三代自主超导量子计算机。目前,我国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”先后被139个国家和地区用户访问超2500万次,成功完成38万余个全球量子计算任务,涵盖流体动力学、金融、生物医药等多个行业领域。

如今年逾八旬的郭光灿仍奔波于育人一线。他不仅为中学生做科普讲座,还多次参与“司南杯”量子计算编程挑战赛的活动。该赛事三届累计吸引超5000名高校学子参与,为我国量子计算事业储备了新生力量。

“我这一辈子就想努力做好一件事,再培养一批人才,承担我应尽的责任。希望年轻人能够接过接力棒,共同推动量子计算技术走向产业化。”郭光灿说。

研制一台量子计算机,需要攻克哪些技术难题

量子计算机的研发是一项复杂任务,以超导量子计算机为例,其主要包含量子芯片、量子计算测控系统、极低温环境支撑系统和量子计算机操作系统、应用软件等方面。

量子芯片作为量子计算机的心脏,负责执行关键的运算加速过程,而这一过程需要将问题转化为量子算法,并通过特殊的调制脉冲信号输入量子芯片,最终采集并分析量子芯片输出的信号以获得问题的解答。量子芯片的高效运行需要一个完善的硬件系统来支持,包括量子芯片封装技术、量子芯片测试平台,以及量子测控系统、相关元器件等。其中,量子芯片测试平台由极低温稀释制冷机及配套设施构成,为量子芯片提供极低温环境、红外辐射噪声屏蔽、磁场噪声屏蔽和极低的机械振动等高度隔离的运行条件,同时还需要高效率的导热组件及时带走量子芯片运行时产生的热量。量子计算测控系统负责量子芯片所需的一切信号的生成、采集、控制与处理,如同一位“翻译官”,将人类的复杂问题转化为量子芯片能够理解的“语言”,并引导量子芯片进行高效计算。

同时,量子计算机还需要一套完整的软件系统来支持其运行,包括量子计算机操作系统、量子语言编译器、量子应用软件以及量子计算机集成开发环境等。这些软件系统不仅为用户提供量子程序的编程和操作界面,还需要对接硬件,将程序转换为硬件所需的指令信号,确保量子计算机能够高效、准确地执行各种计算任务。

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