中科院院士郭光燦：人類正在走向量子霸權階段

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杭州網訊 11月23日，由杭州市人民政府和本站集團聯合主辦，杭州市經濟和信息化局、杭州濱江區人民政府、杭州蕭山區人民政府、北京本站傳媒有限公司及本站（杭州）網絡有限公司承辦的“2019本站未來大會”正式開幕。中國科學院院士、著名量子信息學家郭光燦發表題爲“量子信息技術時代何時到來”的主題演講。作爲中國量子信息領域第一個科技部973項目的首席科學家，郭光燦對“第二次量子革命；量子革命當中最具有代表性、顛覆性的技術——量子計算機；量子信息技術時代何時到來”三個重要問題進行了分享。

中國科學院院士郭光燦作演講：量子新世界（來源：杭州網）

他談到，現在用的經典器件性能達到極限以後，能夠突破極限，量子計算機、量子電腦、量子傳感、通信等性能會遠遠超越現在相應的工具，這樣一來會使現代的技術發展功能達到更強大的水平，“這樣人類社會的生產力將會提高到一個新的階段，我們稱之爲第二次量子革命”。

“在這個基礎裡面最重要、最有顛覆性的技術叫量子計算機，量子計算機最早是費曼1981年提出來的。”郭光燦提到量子計算機要做的事和電子計算機是一樣的，就是算問題。“我要算一個問題，用算好的量子算法，變成量子編程，然後發出一系列指令控制量子芯片，最後把這個問題算出來。”將來真的量子計算機做出來了，那我們人類只要坐在電腦旁邊輸入問題，就可以通過量子程序得到經典數。

量子計算機的發展要經歷量子原型機、量子霸權和量子通用機三個階段，目前人類正在走向量子霸權階段，從霸權到通用機要解決兩大問題，第一比特數不是100，可能幾萬到百萬，非常多，這是一個難點；第二相干時間要足夠長才能算所有問題，人類還無法做到容錯糾錯技術。“從量子霸權到通用量子計算機還是要相當長的時間才能做到，即便是霸權出來了，我們還不能說量子計算機做好了，因爲還相當遠，還沒有達到。”

郭光燦認爲，量子技術時代到來面臨兩大困難：一是人造宏觀系統非常脆弱，想保證相干時間不被破壞，這是個難點；二是人類對量子世界的操控能力不夠成熟。研究是一個艱難的過程，不是一朝一夕可以做到的。

附：以下爲中國科學院院士、著名量子信息學家郭光燦演講內容，根據速記整理。

很高興能夠在本站論壇上做一個演講，我演講的題目是“量子信息技術時代何時到來”。這是大家很關注的一個問題，因爲現在關於量子大家聽得非常多，對這個問題也很期待，所以我今天想講三個問題：第一個，什麼是第二次量子革命？第二個，量子革命當中最具有代表性的、顛覆性的技術——量子計算機，也就是剛剛主持人說的“量子霸權”有關的一個器件，介紹它是不是量子霸權，什麼是量子霸權；最後一個是量子信息技術時代什麼時候能夠到來。

首先講第一個問題，什麼是第二次量子革命？我們是一個宏觀世界，我們叫經典世界，在我們的世界裡，學物理的都知道我們研究的對象有兩類，要麼粒子，要麼波，而粒子和波遵從的物理定律叫經典物理，這是在19世紀末。但是20世紀初物理學家發現自然界還存有另外的粒子，這個粒子同時具有波動性和粒子性，叫量子力學。量子力學誕生了一百多年來之前所預言的所有都是對的，所以量子力學是人類至今最成功的理論。這個理論不僅是成功，而且爲人類的社會已經作出重大貢獻，電腦、激光等等都是有量子力學的原理才能誕生的。但是這個誕生以後的器件本身是遵從經典物理的定律，我們叫經典器件，或者經典技術，所以我們現在的信息時代是經典信息時代。

量子世界既然有一種不同於經典世界的性質，我們能不能把它開發出來用於我們人類社會中來？這就是物理學家這二十多年努力的一個目標，發現量子性可以開發出一系列的工具，比如說量子計算機、量子傳感，這些都是從量子力學的基本原理推導出來的，它們肯定是對的。但是這些器件和我們現在用的電腦、激光、互聯網不同，他們遵從的物理定律是量子力學，所以我們稱爲量子器件或者量子技術。

那麼這種器件它有什麼優點？當我們現在用的經典器件性能達到極限以後，能夠突破極限的就是量子技術，所以量子計算機和量子電腦、量子傳感、通信等性能會遠遠超越現在相應的工具，這樣一來會使現代的技術發展功能達到更強大的水平。所以如果真的到來了，那人類社會的生產力將會提高到一個新的階段，我們稱之爲第二次量子革命。

第二次量子革命的意義，就是把量子信息的技術開發成人類有用的新一代技術，這一類技術叫量子信息技術，它是人類新一代未來的技術，現在還做不到，這就是第二次量子革命。在這個基礎裡面最重要、最有顛覆性的技術叫量子計算機，量子計算機最早提出是費曼1981年提出來。我們怎麼來了解這個規律呢？我們用電腦模擬，電子計算機的電腦不能模擬量子力學運行規律，所以費曼第一次報告裡面說我們可以使用那些本身就滿足量力學的基本元件來構造一個計算機，這個計算機就可以很容易的模擬量力學的演化，這個計算機就是量子計算機，所以量子計算機的概念是從這裡來的。

一旦量子計算機做出來了，它會超越現在的計算機，比如說Shor提出如果要解決一個數學問題，它的功能要遠遠超過電子計算機，比如這個數是129位，分成兩個數，數數相乘很難分，1994年曾經做過並行處理把這個數算出來了。如果這個做出來了，一秒鐘就可以做出來，如果把這個數拉長成500位，經典計算是用同樣的能力，花的時間比整個宇宙的時間還要長，而量子計算機只要幾分鐘就夠了，所以量子計算機運算能力遠遠超過我們現在廣泛使用的電子計算機。

什麼是量子計算機呢？怎麼有這麼大的威力？所謂量子計算機它要做的事跟電子計算機是一樣的，就是算問題，我要算一個問題，我就用算好的量子算化，變成量子編程，然後發出一系列的指令控制量子芯片，最後把這個問題算出來，所以它要完成的任務跟電子計算機一樣，比如說將來量子計算機真的做出來了，那我們人類只要坐在電腦旁邊，我們從電腦裡輸入我的問題，輸入我的處理數據，然後這個問題就會連到量子計算機裡面，量子計算機這個軟件就會把它變成量子程序，通過量子計算機一個操控系統就把這個運用到控制量子芯片，這個量子芯片再按這個系統做，做完把數據提出來，然後又回到我們的電子計算機，所以人類只要把電子計算機一開，你輸入經典數，最後就得到經典數，這個構成完全跟電子計算機一樣，不同的是中間處理數據的辦法是用量子的辦法。

具體一點，比如說電子計算機我們處理的數是什麼？就比配0和1，有一個操作的系統就是芯片，芯片去操作這個0、1信息的處理器，你操作一次，它就把這個數變成另外一個數，一步一步操作，這叫串行運算，所以電子計算機的運算能力是串行運算。量子就不一樣了，量子的狀態是不確定的，所以在量子世界裡你說0或1它不確定，它處在什麼狀態呢？把0和1加起來的那個狀態，那個叫量子態，叫量子比特，所以量子計算機處理的單元是量子比特本身，一個量子比特帶兩個經典數，一個0，一個1，我們把它操作在元件上，這種能力叫做並行運算，這是量子計算機的量子信息帶來的後果。但是電子計算機是串行運算，這就是爲什麼說量子計算機它的運算能力會那麼快的原因，就是電子計算機串行運算，一次操作就能夠處理一條信息，而量子計算機是並行運算，一次操作可以同時處理2個N次方數據，這樣它的運算能力就很高。

我們人類從算盤時代已經到了現在的電子計算機時代，我們整個社會是翻天覆地的變化，人人都感受到這個，如果量子計算機做出來了，我們會從電子計算機的時代變到量子計算機時代，那人類社會將會有更大的變化，是另外一個天翻地覆的變化，這就是爲什麼量子計算機會引起大家非常關注的原因。要把量子計算機做成需要什麼？需要硬件，把量子芯片做出來，軟件、操作系統、還有互聯網各方面都做好了才能做成一個真正有用的量子計算機，不光是芯片，這個就是一個系統工程。但是，核心要把處理器做出來，所以相當一段時間裡我們就困擾在用什麼物理體系來做量子計算機，原因在哪裡？在宏觀世界裡量子性非常脆弱，很容易就破壞掉，比如說一個超導的芯片壽命是兩個納秒，如果你用超導把量子計算機做成了，它就能保存兩個納秒，它後面根本就不能用，這是最重要一個障礙。後來物理學家就進行了努力，他們花了13年的時間到了2012年，就把這個時間提高了5萬倍，變成100個微秒，100個微秒聽起來是很短的，但是在微觀世界裡這100個微妙，在量子世界裡它可以做數據處理了，所以那以後又到了新階段，從那以後量子計算機蓬勃發展。

最重要的是2016年IBM公佈了全球首個量子計算機在線平臺，任何人通過互聯網可以到這個平臺進行操作量子計算機，當時有五個處理器，太少了，但是它就是一個量子處理器，然後D—Wave推出了2000位量子退火處理器。我們中國在2018年創新了第一個量子計算機的公司，他們做了一個64位的量子虛擬機，他們可以在我們經典計算機上面去模擬一個64位量子計算機的運行，這是當時世界上最長的，後來他們又把操控系統一體化了。最重要是在今年，今年是一個重要的階段，IBM在年初推出全球首套商用量子計算機，它已經不是在線放在實驗室裡，他把它做成一個器件，一個商品，你可以拿去賣，就這樣一個獨立器件，這個是地地道道的一個量子處理器，所以它的並行運算優點就體現出來了，這個我認爲是一個重大進展，這是第一步重大進展。

然後今年到9月份，他當時是20個量子比特，今年9月份他說我已經到53個量子比特，10月份就可以做獨立的器件，如果要買你就可以買，這叫商用的。這個進展我認爲是量子計算機研究的第一個重要的進展。然後緊接着一個星期，谷歌就宣佈也做出53位量子處理器證實，在僞隨機量子採樣任務中證明量子計算機的能力超過經典計算機，他宣稱我做到量子霸權，真的是霸權嗎？他這個機器是真的，但是不是超過一萬年？因爲電子計算機的處理速度跟算法有關，但是它是一個很重要的進展，就是我們已經快到霸權的階段，再往下發展它有可能是任何一個經典算法在任何一個操作中都無法趕上的，這就是量子計算機要追求的第二個目標，量子霸權，這個確確實實已經來了。

這個來了不等於量子計算機已經到了，當前的發展爲什麼這麼快？一個是已經從單純做量子芯片發展到硬件、軟件一起；第二個更重要的，從90年代以高校研究所爲主的基礎研究，到了以公司爲主導的商品爲目標的這樣一種研究；第三個，它帶動了好多產業。現在國際上主要的公司美國最多，IBM、谷歌，還有微軟，澳大利亞有一個，荷蘭有一個，我們中國有華爲大學有一個，還有達摩院，本源，還是百度，所以引起全世界的關注。

那麼量子計算機的發展到底要幾個階段？第一個叫量子原型機，它五臟俱全，軟件、硬件、操作系統全都有，是地地道道的一個量子處理器，這是一個可以商品化的量子處理器；第二段就是所謂量子霸權，我把量子比特數增加到100個左右，但是量子霸權仍然不是我們需要的最終的量子計算機，爲什麼？因爲它的相干時間很短，你能處理一些在100微妙能完成的那些任務，超過這個任務它就解決不了了，所以它叫專用機，不叫通用機，這是第二步，現在未必到霸權，但是我們已經在往霸權這個階段走；一旦到了霸權仍然不是我們所需要的通用機，到了第三步纔是我們最需要的，或者我們的終極目標，叫量子通用機。

這個通用機的概念就是所有問題都可以在我的量子計算機處理，這個從霸權到通用機要解決兩大問題，這兩大問題都很難。第一，比特數不是100，可能幾萬到百萬，非常多，這是一個難點；第二個更難的，就是相干時間，你的相干時間要足夠長才能算所有問題，不像100微秒就死掉了，所以爲了保持相干時間足夠長必須採用一種技術，這個技術叫做容錯糾錯技術，要做到這個技術人類現在做不到，現在離這個技術還相當遠，這就是現狀。所以從霸權到通用量子計算機還是要相當長的時間才能做到，即便是霸權出來了，我們還不能說量子計算機做好了，因爲還相當遠，還沒有達到。

所以我們回答第三個問題，量子技術時代何時到來？有兩大困難，第一就是我說的它是一個人造的宏觀系統，它非常脆弱，你想保證它的相干時間不被破壞，這是個難點；第二點，就是人類對這個量子世界的操控能力不夠成熟，我們在經典世界操控能力很強，人造智能機器，還有無人機等等，這些我們有精準的控制能力，但是量子沒有。2012年物理學諾貝爾獎，獎了兩位物理學家，是人類第一次真正操控了一個量子比特，現在是成百萬的量子比特，這有多難可以想象。它原理沒問題，早晚會做出來，但是研究它是一個艱難的過程，所以不是一朝一夕可以做到的。

那麼什麼時候量子時代才能到呢？通用量子計算機到了實際應用的時候，一旦到了，我們就可以解決很多問題，比如搜索方法，現在這個用途很廣，比如藥物研究，我們研究一種藥物是一個多方面問題，還有其他的量子機器學習，包括量子計算、量子模擬、量子密碼都是如此，現在都還沒有實現。我的報告到此，謝謝。