中國科學院院士郭光燦：顛覆性的量子計算將帶來算力的指數級增長

近日，一則關於OpenAI創始人山姆·奧特曼正在通過向全球投資者尋求鉅額資金，建立專門晶圓廠的消息在科技圈刷屏。業界紛紛猜測，這一舉措背後的原因很可能是，OpenAI已經無芯訓練GPT-5。據悉，OpenAI訓練GPT-4，耗費大約25000塊A100GPU。而訓練GPT-5，至少還需要5萬張H100。山姆·奧特曼本人曾在達沃斯經濟論壇上表示，今後世界的兩大貨幣，就是算力和能源。有不少專家直言，算力能級決定了生成式AI發展的前途。尤其在當下，誰能夠提高算力，滿足大模型訓練需求，誰就可能佔據行業發展的有利地位。

算力未來會向哪個方向發展？日前，在"瞰見未來"2024復旦管院新年論壇上，中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦預測：量子計算是一項顛覆性技術。如果量子計算機能夠得到普遍應用，算力將會提高到新的層次，量子算力會以指數級增長超越現有的經典算法，超越現在的超級計算機。不過，當下，我們距離實現通用量子計算機，還有相當長的路要走。

我們距離量子計算機還有多遠

量子計算有多厲害？"量子計算機可以實現超級計算機無法完成的工作。"郭光燦舉例，現在電子計算機無法破解的的動態密鑰，量子計算機可以破解。他甚至推測，10年後或會誕生量子人工智能新學科。

那麼，人類距離量子計算機還有多遠？郭光燦表示，如果將量子計算髮展比作一個人的成長，那我們現在大概還在7、8歲左右。

他坦言，當前，量子計算髮展主要面臨兩大難題。

其一是研究人員在研究量子計算機的過程中會遇到"消相干"問題。郭光燦解釋，量子計算機是宏觀量子器件，環境會不可避免地破壞量子特性，這就是"消相干"。"消相干"會導致量子計算機自動變成經典計算機，喪失並行運算能力。爲了應對環境破壞下計算可靠的問題，科學家提出"容錯糾錯編碼原理"。不過，郭光燦表示，儘管這一原理可在理論上可確保在"消相干"環境中量子計算機的可靠正確運行，但實際技術很難做到這點。

困難二在於目前人類尚未掌握精確操控量子狀態和演化的技術，因此無法制備和精確操控量子比特數較多的量子芯片。郭光燦解釋，用於量子信息存儲的量子編碼是將有噪聲的若干量子物理比特，變成沒有噪聲的邏輯比特。由於噪聲會帶來計算錯誤，用無噪聲的邏輯比特作爲處理數據單元，數據就能保持完整。如果量子比特的質量好、保真度高，那麼編一個邏輯比特所需要的物理比特量就少。他進一步解釋，容錯編碼可以糾正操作過程的錯誤。當操作的精度高於某個閾值，如99.999%，可以糾正操作過程的錯誤，使得即使在錯誤環境中仍可獲得可靠結果。

郭光燦說，通用量子計算機必須採用編碼容錯技術才能確保計算的可靠性。這一點同樣是在理論上可以實現，但現在技術上還達不到。一臺通用量子計算機需要約1000個邏輯比特，每個邏輯比特由約1000個物理比特編碼而成，因此，通用量子計算機需要百萬級量子比特。難度可想而知。

我國量子計算水平處於國際第一梯隊

"雖然當下我們距離距離實現通用量子計算機還有相當長的路要走。但科學的進步速度非常快。"郭光燦認爲，當前，量子計算已從僅追求量子比特的增加進入到研發邏輯量子比特的新階段。

他舉出國內外兩組例子。

2016年，IBM公佈了全球首個量子計算機在線平臺，搭載5位量子處理器。這是人類歷史上首次真正將量子處理器作爲實際應用。2019年，IBM又推出全球首套商用量子計算機，命名爲IBMQSystemOne。在國內，2024年1月6日，中國第三代超導量子計算機"本源悟空"上線運行。該量子計算機搭載72位自主超導量子芯片"悟空芯"，是目前先進的可編程、可交付超導量子計算機。"值得驕傲的是，這是我國完全自主研發的產品。"郭光燦說，"本源悟空"上線後，迄今已有全球90個國家、64萬人訪問了雲計算，其中有9萬人帶着問題在計算機上運行。現在"本源悟空"已完成了約8萬個項目。

"由此可見，我國的量子計算水平目前位於國際第一梯隊。"不過，郭光燦也指出，在量子計算方面，我國仍與美國水平相差較大，仍需努力。例如，近期哈佛大學Lukin研究組發佈了第一臺基於可重構原子陣列的邏輯量子處理器，成功在一個具有280個物理量子比特的系統中，製備48個邏輯量子比特，爲開發真正可擴展和容錯的量子計算機奠定了基礎。"對比美國的進步，日本、德國還在直追，我們必須有緊迫感，抓緊相關研究。"

作者：吳金嬌

文：吳金嬌 圖：復旦管院 編輯：儲舒婷 責任編輯：姜澎

轉載此文請註明出處。