中科院院士郭光灿：人类正在走向量子霸权阶段

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微妙能完成的那些任务，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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（编辑：济源站长网）

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