量子计算先驱西拉克：量子计算过火了，量子传感很快会有回报

“社会上可能尤为关注量子计算机，但我想量子传感和量子精密测量会是最近就能产生应用的量子技术，比如在医疗行业，可能投资相关领域的企业在三到五年内就会有所回报。”近日在上海举行的第三届世界顶尖科学家论坛上，德国马普量子光学研究所理论部主任伊格纳西奥·西拉克（Ignacio
Cirac）通过视频连线接受包括澎湃新闻在内的媒体采访，给量子计算“降火”。这位西班牙人其实是量子计算早期的探路功臣。他的“成名作”之一，就是和同事彼得·佐勒（Peter
Zoller）提出了世界上首个可行的量子计算模型——离子阱量子计算。该理论方案随后被许多实验组成功实现，起到了开创性的作用。量子物理学家们的梦想是能让原子一动不动地固定在空间中某点，以便进行测量和操纵。所谓离子阱，就是利用电磁场和原子中电荷的相互作用，制作一个“陷阱”困住原子。1995年，西拉克和佐勒正是利用这一工具，找到了用原子进行量子逻辑门运算的可能性。24年后的2019年，谷歌宣布实现了“量子霸权”，组合53个原子在一个没有实用性的问题上运算速度超过了最顶尖的超级计算机。但西拉克觉得，尽管量子计算机越造越大、越造越强，但还是太小了，真正可扩展的量子计算机道阻且长。“量子信息进入了令人激动的时代，科学家们发展那些基本理念一开始只是为了开拓边界，如今却有了在社会上落地的可能性。许多公司都在投资，看看量子信息对其业务是否有助力。这对我来说挺新鲜的。”西拉克说道。用一句话展望量子技术应用的前景，他总结道：“大家可能听说过纳米技术，纳米技术让人们进入并且控制了显微镜下的世界，正在催生出各种各样的应用。而量子科技更进一步，就是控制更加微小的系统。”

西拉克（右上）云参与第三届世界顶尖科学家论坛

但西拉克提醒道，量子技术是个非常宽泛的领域，除了备受关注的量子计算，还有量子通信、量子精密测量、量子模拟等许多方向，每一样都在日新月异，也有市场化的可能性。相比之下，后几种可能在近几年内就会有现实应用和商业回报。“至于量子计算机，长远来看它肯定会对社会和产业界产生巨大的影响，可能是一门很大的生意，但现在还不清楚未来三到五年内会怎么样。”西拉克说道。“这当然是触碰前沿的研究，可能会产生一些有趣的应用，对量子通信和量子传感也有帮助。所以对风投、政府和企业来说，这是一笔高风险、高收益的投资，当然也是值得的。
”量子计算机的“简配版”云参会的西拉克带来的演讲主题就并非量子计算，而是量子计算机的“简配版”量子模拟器。他解释道，现在经典计算机能够很好地模拟建筑、汽车、飞机等日常生活中的东西，从而进行设计改进，但模拟量子系统是很困难的。例如，有些材料需要在超冷温度下才会出现奇异的性质，要使用经典计算机来设计这种材料的话，就需要计算很长很长时间。“量子计算机此时就有了用武之地。不过我刚才也说了，有能力解决此类问题的量子计算机还需很久才能问世。这就是另一个量子研究领域——量子模拟器存在的意义。”世界各地包括上海的很多实验室都在尝试能否无需建造一个大规模的完备的量子计算机，只用一个量子模拟器就能解决特定的模拟问题。“量子模拟器可以解决与材料模拟和化学模拟相关的特定问题，优势是技术比较成熟了，缺点在于它不能像量子计算机一样解决其他很多问题。”西拉克总结道。西拉克是研究领域内发表高质量论文和被引用次数最多的作者之一。作为前沿领域的科学家，他保持前沿的武器是一张庞大的跨学科合作网。从中，他不断汲取新的知识和灵感。

例如，他近来注意到机器学习也能够帮助量子物理学家们研究多体物理学，即描述由多个原子组成的复杂系统。他也相信量子信息学能反过来助力人工智能研究。量子计算机可以更快地跑机器学习算法，从而超越量子信息领域的特定问题。“百年前科学研究的范式是截然不同的，一个人可以关起门来发展出相对论。而现在，对于前沿领域的科学家而言，与其他领域的合作者分享新知识、互相启发尤为重要。”西拉克说道。量子投资需“广撒网”在西拉克的合作网中，来自中国的优秀学者越来越多。“中国正在成为量子科技领域的主要力量，有很多突破。”他举例道：“比如，通过卫星来进行量子通信就在领域内产生了实在的影响，背后有很多技术挑战和高水平研究。潘（建伟）教授领导的实验室还制造出了20个光子的量子处理器，这也让学术界震动。另外，中国研究人员在离子阱、超导比特、量子算法等领域都有成果。”西拉克认为，量子通信从国家战略的角度讲是重要的，因为未来如果量子计算机建造出来了，就会攻克现有的密码体系。密码学家们虽然也在研究部署“后量子密码算法”，希望无需量子物理工具就能对抗量子计算机。不过，他认为，这些“后量子密码算法”不能保证未来不被攻克，所以超前一点考虑的话，量子通信迟早是要部署的。西拉克谈及的“量子通信”的涵义其实不止于现在的量子密钥分发（QKD）。他指出，量子密钥分发的主要是问题是还不能覆盖长距离。有两条路径可能解决这个问题，一是通过卫星，二是通过量子中继器。“这需要很长时间，因为它们现在既不经济，也不实用。如果有一天两者之一或者两者都具有了经济可行性，那量子通信就会取代现有的密码体系甚至是通信方式。”从量子传感和量子通信探索落地的过程来看，西拉克强调：“如果说我们现在做的研究可能‘明天’会有应用，‘后天’才会有经济收益。因此，针对量子科技的投资需要广撒网。同时，我们要加强联系合作，发展于社会有益的应用。”他相信，以目前的投资力度来看，未来中国扮演的角色会更加重要。