中國(guó)量子計(jì)算機(jī)證明是可用的——《瞭望》刊發(fā)中國(guó)量子信息奠基人郭光燦院士專(zhuān)訪

轉(zhuǎn)自《瞭望》

《瞭望》新聞周刊記者：扈永順?馬曉澄

◇量子計(jì)算機(jī)處理特定數(shù)據(jù)能力與電子計(jì)算機(jī)相比，相當(dāng)于電子計(jì)算機(jī)與算盤(pán)相比

◇本源量子把72比特的“本源悟空”上到云端向全世界開(kāi)放，被120多個(gè)國(guó)家的用戶(hù)訪問(wèn)1200萬(wàn)次，已經(jīng)算了25萬(wàn)個(gè)任務(wù)，證明我們的量子計(jì)算機(jī)是可用的◇量子計(jì)算研究已經(jīng)超越40多年前我們想象的那個(gè)理論上非常美好，實(shí)際上不知道能不能做出的范疇?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)像當(dāng)初預(yù)言的那樣，會(huì)成為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展不可替代的一種新工具

◇如果量子計(jì)算能夠進(jìn)入真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景，遇到問(wèn)題反饋，研制新的性能，整個(gè)產(chǎn)業(yè)就可以有非常好的發(fā)展

量子計(jì)算技術(shù)是21世紀(jì)最有前景的前沿科技之一。美國(guó)把量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)命名為“微型曼哈頓計(jì)劃”，量子計(jì)算機(jī)被稱(chēng)為信息時(shí)代的“算力原子彈”。以量子計(jì)算技術(shù)為代表的量子科技，是中國(guó)在全球科技產(chǎn)業(yè)中開(kāi)辟新領(lǐng)域、制勝新賽道的重要核心技術(shù)之一，具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

近日，中國(guó)量子信息奠基人、中國(guó)科學(xué)院院士郭光燦接受《瞭望》新聞周刊專(zhuān)訪時(shí)表示，量子計(jì)算將帶來(lái)翻天覆地的變化，我國(guó)目前的量子計(jì)算在國(guó)際上處在第一梯隊(duì)，但距離世界最前沿還有差距，突出表現(xiàn)在應(yīng)用生態(tài)上。郭光燦認(rèn)為，應(yīng)該發(fā)揮好新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)，對(duì)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)給予重點(diǎn)支持，政產(chǎn)學(xué)研用合力，帶動(dòng)全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。本源悟空等五臺(tái)量子計(jì)算機(jī) 機(jī)群（2024 年 5 月攝） 孫超攝量子計(jì)算將帶來(lái)翻天覆地的變化《瞭望》：如何通俗理解量子計(jì)算？

郭光燦：量子世界具備一種經(jīng)典電子世界所不具備的獨(dú)特屬性，即由量子疊加引發(fā)的不確定性——經(jīng)典電子世界是確定的，其狀態(tài)要么為0，要么為1；而在量子領(lǐng)域中，狀態(tài)則是不確定的，既非明確的0也非明確的1，而是處于兩者之間的可能性狀態(tài)。

量子在處理數(shù)據(jù)時(shí)因其疊加特性，就可以把0和1疊加起來(lái)。具體而言，1塊有n個(gè)比特的傳統(tǒng)芯片，可以同時(shí)存儲(chǔ)n個(gè)數(shù)據(jù)；而一塊擁有n個(gè)量子比特的芯片，則能夠在同一時(shí)刻存儲(chǔ)2^n個(gè)數(shù)據(jù)。計(jì)算過(guò)程本質(zhì)上是對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，將一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為另一組數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)是串行計(jì)算，每次操作只能將單一數(shù)值轉(zhuǎn)換為另一個(gè)數(shù)值，這意味著它必須依照順序進(jìn)行計(jì)算。相反，量子計(jì)算機(jī)在具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的同時(shí)，具備強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，其n個(gè)量子比特能夠在同一時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)2^n個(gè)數(shù)據(jù)，并且通過(guò)一次操作即可同時(shí)將這2^n個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為新的2^n個(gè)數(shù)據(jù)。量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力為一些對(duì)算力需求高的特定行業(yè)問(wèn)題提供了解決方案。比如，在小分子藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域，傳統(tǒng)分子對(duì)接方法依賴(lài)于高性能計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行大量計(jì)算，耗時(shí)久且精度低。

而量子計(jì)算技術(shù)有強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠解決傳統(tǒng)小分子藥物設(shè)計(jì)中存在的算力瓶頸，可以顯著提高分子對(duì)接的速度和準(zhǔn)確性，從而開(kāi)辟一條更高效、更精準(zhǔn)的藥物篩選新路徑。將量子計(jì)算機(jī)處理特定數(shù)據(jù)能力與電子計(jì)算機(jī)相比，相當(dāng)于電子計(jì)算機(jī)與算盤(pán)的能力相比。人類(lèi)社會(huì)從算盤(pán)時(shí)代過(guò)渡到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)時(shí)代，經(jīng)歷了深刻的社會(huì)變革。如今，人們的生活已經(jīng)離不開(kāi)電腦和智能手機(jī)，計(jì)算機(jī)帶給我們的好處有目共睹。如果人類(lèi)社會(huì)進(jìn)一步邁入量子計(jì)算機(jī)時(shí)代，這將是一場(chǎng)巨大的技術(shù)革命。量子計(jì)算機(jī)有望解決那些目前電子計(jì)算機(jī)難以應(yīng)對(duì)的重大難題，在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?！恫t望》：我們國(guó)家的量子計(jì)算已經(jīng)達(dá)到什么水平，有哪些應(yīng)用？郭光燦：量子計(jì)算的研究與發(fā)展大致可以分為三個(gè)主要階段。首先，是基礎(chǔ)研究階段，這一階段主要側(cè)重于理論探索與學(xué)術(shù)成果的發(fā)表。

這些研究成果標(biāo)志著重要的科學(xué)進(jìn)步，但論文發(fā)表并不能稱(chēng)之為真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，它通常局限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，用于實(shí)驗(yàn)性數(shù)據(jù)收集或概念驗(yàn)證演示，無(wú)法解決復(fù)雜或?qū)嶋H的問(wèn)題。其次，是量子計(jì)算機(jī)樣品開(kāi)發(fā)階段。在這個(gè)階段，要將實(shí)驗(yàn)室中的研究轉(zhuǎn)化為可實(shí)際應(yīng)用的量子計(jì)算機(jī)，將其部署在云端上處理真實(shí)運(yùn)算任務(wù)。最后，是量子計(jì)算機(jī)的商品化階段。在此階段，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步完善樣品，將操作系統(tǒng)與處理系統(tǒng)全面集成，使之成為完整的量子計(jì)算機(jī)，并作為商品推向市場(chǎng)。

我們國(guó)內(nèi)的企業(yè)本源量子具有自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造鏈，2021年交付了中國(guó)首臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)整機(jī)，使中國(guó)成為世界上第三個(gè)具備量子計(jì)算機(jī)整機(jī)交付能力的國(guó)家。2024年初，第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上線。本源量子把72比特的“本源悟空”上到云端向全世界開(kāi)放，被120多個(gè)國(guó)家的用戶(hù)訪問(wèn)超1200萬(wàn)次，已經(jīng)算了25萬(wàn)個(gè)任務(wù)，證明我們的量子計(jì)算機(jī)是可用的。而且在金融科技、醫(yī)療數(shù)據(jù)、電力行業(yè)等方面，我們國(guó)家的量子計(jì)算機(jī)都有一些具體的應(yīng)用。

機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存

《瞭望》：近年來(lái)國(guó)際、國(guó)內(nèi)量子信息研究情況如何？郭光燦：我們研究啟動(dòng)比較早，國(guó)家支持也比較早，我們的量子信息研究在國(guó)際上處于第一梯隊(duì)。第一梯隊(duì)指我的水平跟你差不多，有的方向我可能比你還好，個(gè)別的方向我們落后一點(diǎn)，平均來(lái)說(shuō)，在量子計(jì)算領(lǐng)域，國(guó)外認(rèn)同中國(guó)的水平。近幾年因?yàn)榧夹g(shù)上有突破，很多量子體系開(kāi)發(fā)非常快。IBM用超導(dǎo)線路做到了1000量子比特，現(xiàn)在別的技術(shù)路線，比如用離子阱、光子、原子等，也可以做到不錯(cuò)的水平。整個(gè)量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域在全世界發(fā)展非?？?，每年都不斷有新研究成果出現(xiàn)。量子計(jì)算研究已經(jīng)超越40多年前我們想象的那個(gè)理論上非常美好、實(shí)際上不知道能不能做出的范疇?？梢钥隙ǖ卣f(shuō)，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)像當(dāng)初預(yù)言的那樣，會(huì)成為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展不可替代的一種新工具?！恫t望》：相比較世界最前沿的水平，我們的量子計(jì)算研究還面臨哪些挑戰(zhàn)？郭光燦：目前全世界在量子計(jì)算第一梯隊(duì)的國(guó)家有中國(guó)、美國(guó)、加拿大、日本、德國(guó)、英國(guó)等。美國(guó)的量子信息、量子計(jì)算是全世界發(fā)展最前沿、最快的。我們跟他們有一定的差距，但不是很大。全世界能把量子計(jì)算機(jī)做成產(chǎn)品并賣(mài)出去給大家用的只有幾家，我們就是其一。

美國(guó)能做到最前沿，在于他們比我們?cè)缍陠?dòng)研究。美國(guó)相關(guān)底層技術(shù)、工業(yè)基礎(chǔ)好，人才多，更重要的是，量子計(jì)算的生態(tài)更完善。IBM已經(jīng)在全球范圍部署了70多臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。國(guó)外的巨頭公司正在使用量子計(jì)算機(jī)嘗試解決其所在領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，探索提高研發(fā)能力和制造能力的新方法。這些公司在應(yīng)用的過(guò)程中將問(wèn)題反饋給IBM，IBM立即針對(duì)用戶(hù)需求改造量子計(jì)算機(jī)性能，這樣一種循環(huán)就是生態(tài)。國(guó)內(nèi)還沒(méi)有建立這樣的生態(tài)。

加速量子計(jì)算落地研發(fā)和應(yīng)用

《瞭望》：怎樣加速量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)落地，推動(dòng)新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展？郭光燦：國(guó)外發(fā)展量子計(jì)算的主體是大公司，我國(guó)原來(lái)也有不少大公司參與，投資了很多錢(qián)，但有些放棄了，因?yàn)槎虝r(shí)間內(nèi)掙不到收益。我們國(guó)家應(yīng)該發(fā)揮好新型舉國(guó)體制的優(yōu)勢(shì)，政府給予強(qiáng)有力的引導(dǎo)和支持。建議按照“兩彈一星”的方法來(lái)做量子計(jì)算，把最高水平的人集中在一起攻關(guān)。量子計(jì)算是龍頭產(chǎn)業(yè)，如果得到支撐，產(chǎn)業(yè)得到發(fā)展，我們整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈就會(huì)建起來(lái)，并形成合力帶動(dòng)上游材料、關(guān)鍵核心零部件等突破。在生態(tài)建設(shè)方面，要推動(dòng)國(guó)內(nèi)企業(yè)敢于嘗試使用先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)解決領(lǐng)域內(nèi)問(wèn)題，提高生產(chǎn)力。目前，我們正在大力推動(dòng)建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，今年7月，國(guó)內(nèi)首個(gè)量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟“本源量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”擴(kuò)容，聯(lián)盟單位總數(shù)突破100家。如果量子計(jì)算能夠進(jìn)入真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景，遇到問(wèn)題進(jìn)行反饋，開(kāi)發(fā)新的功能，整個(gè)產(chǎn)業(yè)能得到非常好的發(fā)展。《瞭望》：在量子計(jì)算的基礎(chǔ)研究方面我們還應(yīng)從哪些方面發(fā)力？郭光燦：強(qiáng)化基礎(chǔ)研究并研發(fā)出比現(xiàn)有方案更好、更快的量子計(jì)算機(jī)至關(guān)重要。早期用物理量子比特來(lái)編碼邏輯比特時(shí)，需要大約1000個(gè)物理量子比特才能編碼出1個(gè)邏輯比特。為了構(gòu)建一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)，理論上需要1000個(gè)邏輯比特，由此推算，所需的物理量子比特?cái)?shù)量高達(dá)100萬(wàn)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)物理量子比特直接編碼成1個(gè)邏輯比特，我們將能夠迅速達(dá)到構(gòu)建通用量子計(jì)算機(jī)所需的水平。量子比特?cái)?shù)目的增加本身就是一項(xiàng)進(jìn)展，但這并不是量子計(jì)算領(lǐng)域的根本性突破。根本性的突破在于能夠顯著提高編碼效率，減少構(gòu)建1個(gè)邏輯量子比特所需的物理量子比特?cái)?shù)量，這正是國(guó)外研究者最為關(guān)注的核心問(wèn)題之一。我們不能等待國(guó)外的成果，跟隨別人的步伐一定落后，必須有自己的原創(chuàng)思想。抓住核心問(wèn)題再提出自己的原創(chuàng)想法，然后實(shí)現(xiàn)。想要超越一定要走這條路，而不是跟隨別人的意見(jiàn)，這種競(jìng)爭(zhēng)遲早會(huì)被淘汰。

人才培養(yǎng)方面，建議教育部牽頭出臺(tái)我國(guó)量子計(jì)算教育科研培訓(xùn)等支持政策，支持我國(guó)高校使用量子計(jì)算機(jī)真機(jī)培養(yǎng)量子計(jì)算人才，建立量子科技人才的中長(zhǎng)期培育規(guī)劃，加強(qiáng)政策傾斜、資金投入。具體而言，可以分以下幾步走：一是開(kāi)展全國(guó)首批量子計(jì)算科普樣板校遴選活動(dòng)，“政、校、企”三方合力建設(shè)“自主量子計(jì)算機(jī)一體化教研機(jī)房”，支持高校使用量子計(jì)算機(jī)真機(jī)培養(yǎng)量子計(jì)算人才。二是加大量子計(jì)算科普教育的經(jīng)費(fèi)投入，設(shè)立量子計(jì)算教育專(zhuān)項(xiàng)補(bǔ)貼政策。三是統(tǒng)籌布局全國(guó)量子計(jì)算科普教育。

（《瞭望》2024年第35期 ）