名家丨中科院院士郭光灿：人类正在走向量子霸权阶段

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本文为郭光灿院士关于量子信息技术发展的分享 。

在11月23-24日举行的“2019网易未来大会”上，中国科学院院士、著名量子信息学家郭光灿发表题为“量子信息技术时代何时到来”的主题演讲。作为中国量子信息领域第一个科技部973项目的首席科学家，郭光灿对“第二次量子革命、量子革命当中最具有代表性和颠覆性的技术——量子计算机、量子信息技术时代何时到来”三个重要问题进行了分享。

他谈到，现在用的经典器件性能达到极限以后，能够突破极限，量子计算机、量子电脑、量子传感、通信等性能会远远超越现在相应的工具，这样一来会使现代的技术发展功能达到更强大的水平，“这样人类社会的生产力将会提高到一个新的阶段，我们称之为第二次量子革命”。

“在这个基础里面最重要、最有颠覆性的技术叫量子计算机，量子计算机最早是费曼1981年提出来的。” 郭光灿提到量子计算机要做的事和电子计算机是一样的，就是算问题。“我要算一个问题，用算好的量子算法，变成量子编程，然后发出一系列指令控制量子芯片，最后把这个问题算出来。”将来真的量子计算机做出来了，那我们人类只要坐在电脑旁边输入问题，就可以通过量子程序得到经典数。

量子计算机的发展要经历量子原型机、量子霸权和量子通用机三个阶段，目前人类正在走向量子霸权阶段，从霸权到通用机要解决两大问题，第一，比特数不是100，可能几万到百万，非常多，这是一个难点；第二，相干时间要足够长才能算所有问题，人类还无法做到容错纠错技术。“从量子霸权到通用量子计算机还是要相当长的时间才能做到，即便是霸权出来了，我们还不能说量子计算机做好了，因为还相当远，还没有达到。”

IBM研制出的50量子比特原型机

郭光灿认为，量子技术时代到来面临两大困难：一是人造宏观系统非常脆弱，想保证相干时间不被破坏，这是个难点；二是人类对量子世界的操控能力不够成熟。研究是一个艰难的过程，不是一朝一夕可以做到的。

附：以下为中国科学院院士、著名量子信息学家郭光灿演讲内容，根据速记整理。

很高兴能够在网易论坛上做一个演讲，我演讲的题目是“量子信息技术时代何时到来”。这是大家很关注的一个问题，因为现在关于量子大家听得非常多，对这个问题也很期待，所以我今天想讲三个问题：第一个，什么是第二次量子革命？第二个，量子革命当中最具有代表性的、颠覆性的技术——量子计算机，也就是刚刚主持人说的“量子霸权”有关的一个器件，介绍它是不是量子霸权，什么是量子霸权；最后一个是，量子信息技术时代什么时候能够到来。

首先讲第一个问题，什么是第二次量子革命？我们是一个宏观世界，我们叫经典世界，在我们的世界里，学物理的都知道我们研究的对象有两类，要么粒子，要么波，而粒子和波遵从的物理定律叫经典物理，这是在19世纪末。

20世纪初物理学家发现自然界还存有另外的粒子，这个粒子同时具有波动性和粒子性，叫量子力学。量子力学诞生了一百多年，之前所预言的都是对的，所以量子力学是人类至今最成功的理论。这个理论不仅成功，而且为人类的社会已经作出重大贡献，电脑、激光等等都是有量子力学的原理才能诞生的。但是这个诞生以后的器件本身是遵从经典物理的定律，我们叫经典器件，或者经典技术，所以我们现在的信息时代是经典信息时代。

量子世界既然有一种不同于经典世界的性质，我们能不能把它开发出来用于我们人类社会中来？这就是物理学家这二十多年努力的一个目标，发现量子性可以开发出一系列的工具，比如说量子计算机、量子传感，这些都是从量子力学的基本原理推导出来的，它们肯定是对的。但是这些器件和我们现在用的电脑、激光、互联网不同，他们遵从的物理定律是量子力学，所以我们称为量子器件或者量子技术。

那么这种器件它有什么优点？当我们现在用的经典器件性能达到极限以后，能够突破极限的就是量子技术，所以量子计算机和量子电脑、量子传感、通信等性能会远远超越现在相应的工具，这样一来会使现代的技术发展功能达到更强大的水平。所以如果真的到来了，那人类社会的生产力将会提高到一个新的阶段，我们称之为第二次量子革命。

第二次量子革命的意义，就是把量子信息的技术开发成人类有用的新一代技术，这一类技术叫量子信息技术，它是人类新一代未来的技术，现在还做不到，这就是第二次量子革命。在这个基础里面最重要、最有颠覆性的技术叫量子计算机，量子计算机最早提出是费曼1981年提出来。我们怎么来了解这个规律呢？我们用电脑模拟，电子计算机的电脑不能模拟量子力学运行规律，所以费曼第一次报告里面说我们可以使用那些本身就满足量力学的基本元件来构造一个计算机，这个计算机就可以很容易的模拟量力学的演化，这个计算机就是量子计算机，所以量子计算机的概念是从这里来的。

最早提出量子计算机概念的理查德·费曼(Richard Feynman)

一旦量子计算机做出来了，它会超越现在的计算机，比如说Shor提出如果要解决一个数学问题，它的功能要远远超过电子计算机，比如这个数是129位，分成两个数，数数相乘很难分，1994年曾经做过并行处理把这个数算出来了。如果这个做出来了，一秒钟就可以做出来，如果把这个数拉长成500位，经典计算是用同样的能力，花的时间比整个宇宙的时间还要长，而量子计算机只要几分钟就够了，所以量子计算机运算能力远远超过我们现在广泛使用的电子计算机。

什么是量子计算机呢？怎么有这么大的威力？所谓量子计算机它要做的事跟电子计算机是一样的，就是算问题，我要算一个问题，我就用算好的量子算化，变成量子编程，然后发出一系列的指令控制量子芯片，最后把这个问题算出来，所以它要完成的任务跟电子计算机一样，比如说将来量子计算机真的做出来了，那我们人类只要坐在电脑旁边，我们从电脑里输入我的问题，输入我的处理数据，然后这个问题就会连到量子计算机里面，量子计算机这个软件就会把它变成量子程序，通过量子计算机一个操控系统就把这个运用到控制量子芯片，这个量子芯片再按这个系统做，做完把数据提出来，然后又回到我们的电子计算机，所以人类只要把电子计算机一开，你输入经典数，最后就得到经典数，这个构成完全跟电子计算机一样，不同的是中间处理数据的办法是用量子的办法。

具体一点，比如说电子计算机我们处理的数是什么？就是0和1，有一个操作的系统就是芯片，芯片去操作这个0、1信息的处理器，你操作一次，它就把这个数变成另外一个数，一步一步操作，这叫串行运算，所以电子计算机的运算能力是串行运算。量子就不一样了，量子的状态是不确定的，所以在量子世界里你说0或1它不确定，它处在什么状态呢？把0和1加起来的那个状态，那个叫量子态，叫量子比特，所以量子计算机处理的单元是量子比特本身，一个量子比特带两个经典数，一个0，一个1，我们把它操作在元件上，这种能力叫做并行运算，这是量子计算机的量子信息带来的后果。但是电子计算机是串行运算，这就是为什么说量子计算机它的运算能力会那么快的原因，就是电子计算机串行运算，一次操作就能够处理一条信息，而量子计算机是并行运算，一次操作可以同时处理2个N次方数据，这样它的运算能力就很高。

我们人类从算盘时代已经到了现在的电子计算机时代，我们整个社会是翻天覆地的变化，人人都感受到这个，如果量子计算机做出来了，我们会从电子计算机的时代变到量子计算机时代，那人类社会将会有更大的变化，是另外一个天翻地覆的变化，这就是为什么量子计算机会引起大家非常关注的原因。要把量子计算机做成需要什么？需要硬件，把量子芯片做出来，软件、操作系统、还有互联网各方面都做好了才能做成一个真正有用的量子计算机，不光是芯片，这个就是一个系统工程。

但是，核心要把处理器做出来，所以相当一段时间里我们就困扰在用什么物理体系来做量子计算机，原因在哪里？在宏观世界里量子性非常脆弱，很容易就破坏掉，比如说一个超导的芯片寿命是两个纳秒，如果你用超导把量子计算机做成了，它就能保存两个纳秒，它后面根本就不能用，这是最重要一个障碍。后来物理学家就进行了努力，他们花了13年的时间到了2012年，就把这个时间提高了5万倍，变成100个微秒，100个微秒听起来是很短的，但是在微观世界里这100个微妙，在量子世界里它可以做数据处理了，所以那以后又到了新阶段，从那以后量子计算机蓬勃发展。

最重要的是2016年IBM公布了全球首个量子计算机在线平台，任何人通过互联网可以到这个平台进行操作量子计算机，当时有五个处理器，太少了，但是它就是一个量子处理器，然后D—Wave推出了2000位量子退火处理器。我们中国在2018年创新了第一个量子计算机的公司，他们做了一个64位的量子虚拟机，他们可以在我们经典计算机上面去模拟一个64位量子计算机的运行，这是当时世界上最长的，后来他们又把操控系统一体化了。最重要是在今年，今年是一个重要的阶段，IBM在年初推出全球首套商用量子计算机，它已经不是在线放在实验室里，他把它做成一个器件，一个商品，你可以拿去卖，就这样一个独立器件，这个是地地道道的一个量子处理器，所以它的并行运算优点就体现出来了，这个我认为是一个重大进展，这是第一步重大进展。

然后今年到9月份，他当时是20个量子比特，今年9月份他说我已经到53个量子比特，10月份就可以做独立的器件，如果要买你就可以买，这叫商用的。这个进展我认为是量子计算机研究的第一个重要的进展。然后紧接着一个星期，谷歌就宣布也做出53位量子处理器证实，在伪随机量子采样任务中证明量子计算机的能力超过经典计算机，他宣称我做到量子霸权，真的是霸权吗？他这个机器是真的，但是不是超过一万年？因为电子计算机的处理速度跟算法有关，但是它是一个很重要的进展，就是我们已经快到霸权的阶段，再往下发展它有可能是任何一个经典算法在任何一个操作中都无法赶上的，这就是量子计算机要追求的第二个目标，量子霸权，这个确确实实已经来了。

这个来了不等于量子计算机已经到了，当前的发展为什么这么快？一个是已经从单纯做量子芯片发展到硬件、软件一起；第二个更重要的，从90年代以高校研究所为主的基础研究，到了以公司为主导的商品为目标的这样一种研究；第三个，它带动了好多产业。现在国际上主要的公司美国最多，IBM、谷歌，还有微软，澳大利亚有一个，荷兰有一个，我们中国有华为大学有一个，还有达摩院，本源，还是百度，所以引起全世界的关注。

那么量子计算机的发展到底要几个阶段？第一个叫量子原型机，它五脏俱全，软件、硬件、操作系统全都有，是地地道道的一个量子处理器，这是一个可以商品化的量子处理器；第二段就是所谓量子霸权，我把量子比特数增加到100个左右，但是量子霸权仍然不是我们需要的最终的量子计算机，为什么？因为它的相干时间很短，你能处理一些在100微秒能完成的那些任务，超过这个任务它就解决不了了，所以它叫专用机，不叫通用机，这是第二步，现在未必到霸权，但是我们已经在往霸权这个阶段走；一旦到了霸权仍然不是我们所需要的通用机，到了第三步才是我们最需要的，或者我们的终极目标，叫量子通用机。

这个通用机的概念就是所有问题都可以在我的量子计算机处理，这个从霸权到通用机要解决两大问题，这两大问题都很难。第一，比特数不是100，可能几万到百万，非常多，这是一个难点；第二个更难的，就是相干时间，你的相干时间要足够长才能算所有问题，不像100微秒就死掉了，所以为了保持相干时间足够长必须采用一种技术，这个技术叫做容错纠错技术，要做到这个技术人类现在做不到，现在离这个技术还相当远，这就是现状。所以从霸权到通用量子计算机还是要相当长的时间才能做到，即便是霸权出来了，我们还不能说量子计算机做好了，因为还相当远，还没有达到。

所以我们回答第三个问题，量子技术时代何时到来？有两大困难，第一就是我说的它是一个人造的宏观系统，它非常脆弱，你想保证它的相干时间不被破坏，这是个难点；第二点，就是人类对这个量子世界的操控能力不够成熟，我们在经典世界操控能力很强，人造智能机器，还有无人机等等，这些我们有精准的控制能力，但是量子没有。2012年物理学诺贝尔奖，奖了两位物理学家，是人类第一次真正操控了一个量子比特，现在是成百万的量子比特，这有多难可以想象。它原理没问题，早晚会做出来，但是研究它是一个艰难的过程，所以不是一朝一夕可以做到的。

那么什么时候量子时代才能到呢？通用量子计算机到了实际应用的时候，一旦到了，我们就可以解决很多问题，比如搜索方法，现在这个用途很广，比如药物研究，我们研究一种药物是一个多方面问题，还有其他的量子机器学习，包括量子计算、量子模拟、量子密码都是如此，现在都还没有实现。我的报告到此，谢谢。

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