量子計算機研制和應用已經(jīng)成為各國戰(zhàn)略競爭焦點之一，量子計算技術正走出實驗室，走向行業(yè)應用。

近日, 安徽省量子計算工程研究中心及量子計算芯片安徽省重點實驗室傳出喜訊：中國首條超導量子計算機制造鏈啟動升級擴建。自主量子芯片生產(chǎn)、整機組裝等超導量子計算機制造核心環(huán)節(jié)將進一步提升,這標志著中國超導量子計算機自主制造能力增強。 

中國科學院院士俞大鵬在“科技創(chuàng)新院士報告廳”發(fā)表演講。

8月29日，由深圳創(chuàng)新發(fā)展研究院、中關村產(chǎn)業(yè)轉型升級研究院、深圳企聯(lián)等共同主辦的“科技創(chuàng)新院士報告廳”第13期開講，中國科學院院士、深圳國際量子研究院院長、南方科技大學講席教授俞大鵬分享了量子計算的技術前沿與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，并就中國科技發(fā)展如何做到追求原創(chuàng)、注重應用等問題給出了建議。 

以下內容根據(jù)俞大鵬院士演講記錄整理： 

目前量子科技是中國重要的發(fā)展戰(zhàn)略，身處數(shù)字時代，算力定義一切、算力決定一切，而量子計算以其強大的計算能力，正重新定義著算力的邊界與可能。通用量子計算機一旦被做出來就太強大了，若是與人工智能深度融合后甚至可以決定人類的命運。因此，要將發(fā)展以量子計算為代表的量子信息技術作為國家戰(zhàn)略建設和布局。

一、萬物皆可量子，人人皆可量子

宇宙萬物，從微觀到宏觀，皆可追溯到其最小的量子構造單元。這些微小的量子是宇宙最底層的科學基石，更是構成萬物的奧秘，所有的東西都是由最基本的量子構造單元組成的。我們所熟知的一切宏觀現(xiàn)象，底層基元的規(guī)律就是量子力學，量子力學是反直覺的。而宏觀和微觀其實是混為一體的，只是從兩個不同的層面來描述物質運動的規(guī)律。

量子力學深入探索了宇宙由最小構造單元組成的本質，揭示了這些單元運動的最基本、最底層的規(guī)律，從而成為我們理解宇宙萬物運動規(guī)律的關鍵科學。

宇宙萬物是有一個最小的“磚頭”，這個“磚頭”就是原子，原子以上的構成都是確定的，原子也有大有小。但是把原子砸開的話里面是空的，其核心原子核只占原子體積的億萬分之一，是非常微小的，電子圍繞原子核以電子云的形式在運動的。

因此，從微觀的層面來講，宇宙是非常虛空的。

從微觀的角度來說，人類還是非常了不起的，人類身體大概有10的38次方的原子，這個數(shù)目大概比宇宙當中所有的星系還要多，每個人都可以看成是一個小型的宇宙。

盡管宇宙看似很龐雜，但是從底層規(guī)律來講，宇宙由四種基本粒子——電子、光子、夸克和膠子構成。這四種粒子在強力、弱力、電磁力和引力四種相互作用力下構成的宇宙萬物，就是老子說的“道生一、一生二、二生三、三生萬物”，“道”就是相互作用的規(guī)律。

宏觀的現(xiàn)象和微觀的粒子行為是相輔相成的，量子力學正是描述宇宙萬物的這四種粒子基本運動的基本科學，這就是為什么萬物皆可量子、人人皆可量子。 

二、量子力學最成功的應用就是當今的電子信息技術

量子科技絕對不是時髦的東西，而恰恰相反，以電子信息技術為主導的工業(yè)體系，包括手機、互聯(lián)網(wǎng)、集成電路等，它們的科學基礎都是量子力學。量子力學最成功的應用就是以固體能帶論為代表的現(xiàn)代電子信息體系，這樣才能形成一個價帶、導帶、禁帶。基于固體的能帶論才能把物質分為導體、半導體、絕緣體。

以電子信息技術為主導的工業(yè)體系

第一次量子革命造成了現(xiàn)在以電子信息技術為主導的工業(yè)體系，但這一體系在很大程度上是對原子層面現(xiàn)象的被動認識和改造。盡管，芯片等技術的日常運作不直接涉及量子效應，但是，其工作原理是基于量子力學及其固體能量運用的，所以大家別覺得量子力學那么神秘，我們現(xiàn)在用的東西都蘊含著量子力學的原理。

那么，為什么還要提以量子計算為代表的第二次量子革命呢？主要源于下面的三個驅動力：

第一個驅動力是需求，大數(shù)據(jù)、數(shù)字時代呼喚顛覆性的算力，因此量子計算機被推到前臺。

前面強調過，算力決定一切、算力定義一切。然而，大家看看我們的手機，我們的超算、數(shù)字計算機算力到了天花板。以三極管為例，直接在一個芯片上集成幾千億個二極管和三極管，集成度越來越高，每個晶體管的體積會越來越小，比如三極管像一個水龍頭一樣控制水的大小，實現(xiàn)0和1的開關，但是隨著晶體管的尺寸縮小到了納米級以后，會出現(xiàn)量子隧穿的效應，導致漏電等問題。量子效應導致了數(shù)字計算到了天花板，而現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)是每兩年就要翻一番的。所以，面對大數(shù)據(jù)的爆炸性增長，需要一種顛覆性的算力來應對，正是這樣的需求把量子計算推到了前臺。

當然，這并不意味著電子計算機不行，量子計算機永遠不可能取代電子計算機，它只能做電子計算機做不了的事情。

第二個驅動力是量子科學本身需要發(fā)展，早期的量子力學先驅們，如愛因斯坦、薛定諤、普朗克等也對量子世界的某些特性感到不解，他們覺得這些東西不是那么完備、不是那么靠譜。愛因斯坦曾對量子力學的隨機性提出質疑，難以想象，微觀粒子會像擲骰子一樣不可預測。另外愛因斯坦對量子糾纏的概念更不能理解了，兩個微觀粒子的糾纏如何能超越空間與時間的限制相互影響，這個糾纏是否真的存在呢？愛因斯坦的粉絲貝爾設計一個實驗，證明愛因斯坦是對的，糾纏是不存在的，貝爾不等式后來被證明是被違背的。2022年諾貝爾物理學獎給了量子信息的三位先驅，他們通過光子糾纏實驗，證明量子糾纏是存在的。 

2022年諾貝爾物理學獎獲得者

所以說，量子科技本身需要發(fā)展的，早期的愛因斯坦都不能理解量子科學力學的方方面面，更別說普羅大眾了。

第三個驅動力就是能力提升，2001年前說量子計算簡直是天方夜譚，因為那時量子計算壽命是納秒級別的，量子力學完不成邏輯計算，而現(xiàn)在的量子計算體系的相關壽命是微秒乃至秒、分鐘、小時，甚至更長時間。如今，能夠精確地在量子態(tài)層面操控微觀世界，包括朱棣文（諾貝爾物理學獎獲得者，中國科學院外籍院士，第12任美國能源部部長）、法國人克洛德在1997年有個光鎳的工作，到2012年以后，他們的學生跟美國人說，可以精確地在量子態(tài)的層面操控微觀世界，還有在極端的條件下——極低溫、極弱信號這樣的環(huán)境中探測能力很強的，能夠加工原子級別的電極結構等，隨著這些能力的提升，使得那些以前不敢想的事情，正逐一變?yōu)楝F(xiàn)實。

綜上所述，量子計算有三個驅動力：第一是需求，第二是量子力學本身需要發(fā)展，第三是能力提升。

時勢造英雄，量子計算機具有這種潛質給數(shù)字時代提供一種算力。下圖是我同事做的一個卡通，如果說100名學員走一個非常復雜的迷宮，不帶手機沒有信息的交流，只能試錯，走不通就反復再走，直到所有人全部走出來。

走迷宮示例圖

如果是一個100比特的量子計算機去走同樣的迷宮，就等于孫悟空拔出毫毛變出2的100次方個小猴子同時去找到出路；同時，這些小猴子不僅心有靈犀一點通（相互之間處于糾纏與疊加），尤其是具有波的相干相長、相干相消的特性。走不通的地方相干相消沒了，走得通的地方相干相長省了很多計算的過程。這說明，從理論極限上講，量子計算機能夠展示出經(jīng)典數(shù)字計算機無與倫比的強大算力。

幾年前，世界經(jīng)濟論壇就預言了量子計算可能給人類命運方方面面帶來巨大的變革，甚至把每個領域產(chǎn)值估值弄出來了。

各領域產(chǎn)值估值

為什么量子計算是大國科技競爭的制高點？這是政府投入的數(shù)據(jù)，從國際上的政府投入來看，可以看到，目前中國在量子計算領域的政府投入與西方的政府投入差不多，《經(jīng)濟學人》發(fā)過一篇文章說中國已經(jīng)是科技強國之一了，這背后離不開政府的大力支持與資金投入。

目前，在企業(yè)融資方面，美國、歐洲大約是我們的幾十倍。前不久有人說阿里、百度都紛紛退出量子計算了，是不是量子計算涼了？我認為，這是中美文化的差別，在中國，部分企業(yè)可能更傾向于追求短期內的快速回報與指數(shù)級收入增長。相比之下，國際上全部是頭部企業(yè)牽引的，像谷歌、微軟、IBM等，而且投資比中國大約高10倍，盡管政府層面的投資與國際上差不多，但在企業(yè)融資上就看出差別了，現(xiàn)在競爭是這樣的格局。

在國際上，包括國內整個量子科技都在進行全鏈條布局，從底層設備的供應到上游的技術應用，這是國際上一個大的生態(tài)。深圳“20+8”產(chǎn)業(yè)規(guī)劃量子也是其中的一個方面。 

量子科技產(chǎn)業(yè)生態(tài)

在金融領域的應用上，量子信息這一塊將來和經(jīng)典的計算機技術融合，就是“量超融合”，可能要兩個融合起來、混合起來協(xié)同作業(yè)，特別是在保密通信方面，中國大國企已經(jīng)入駐了，像中國電信已經(jīng)成為國盾量子第一大股東，這些表明，目前我國在量子保密通信方面已經(jīng)開始布局了。每個領域對量子計算帶來的變革都有預期，但目前我們還是處于比較前期的階段。

量子計算是解決特別復雜科學問題的一個有力工具，目前正處于AI助力量子計算的階段，量子計算的前期，需要在AI的助力下不斷壯大，當壯大一定程度以后，經(jīng)歷一次質的飛躍，轉變?yōu)榱孔尤斯ぶ悄?、量子學習等，能夠真正提供算力的階段。

量子計算機目前是解決特別復雜的科學問題的一個重大平臺工具，然而，這一技術的進展對信息安全的挑戰(zhàn)是實實在在的?；仡欉^去，圖靈提出了計算機科學的理論框架，他通過破譯德軍密碼，為二戰(zhàn)盟軍最后能夠戰(zhàn)勝德軍立下功勞。同樣，美國在二戰(zhàn)期間也因成功破解日本太平洋艦隊的密碼而獲得了戰(zhàn)略優(yōu)勢。

當前，信息安全體系主要基于RSA密碼，都是很大的密碼，然而，歷史經(jīng)驗告訴我們，再大的數(shù)字也會有被破解的一天。“10949769651859”這個數(shù)在九幾年用當時最強大的計算機大約要用15萬年的時間去破解，但1994年Shor提出了量子的大數(shù)分解算法，一秒鐘破解了這個密碼，因此，量子技術對現(xiàn)有密碼體系的威脅是實實在在的。

20世紀80年代，美國提出量子計算機的概念以后，從來沒有停止過研究，而我們國家最近十幾年才開始研究，美國是否已經(jīng)造出了能夠破譯我們量子密碼體系的機器，這是一個未知數(shù)，盡管目前量子計算機的精度和規(guī)模還不足以立即破解所有類型的密碼，但理論上存在的威脅不容忽視。

去年，清華某位教授說“無人駕駛撲面而來，將來幾億輛無人駕駛車就是幾億輛炸彈”，特別是當密碼被黑客掌握，個人乃至家族的信息與日常作息規(guī)律被輸進去，這個人除非永遠不上網(wǎng)，否則安全岌岌可危。另外，包括高鐵與核基地等面臨的威脅是時刻存在的，這就是量子計算重要的原因。 

三、當前量子計算仍處于解決特定復雜物理問題的階段

量子計算機是挑戰(zhàn)人類操控微觀世界極限能力的世紀系統(tǒng)工程。我們目前有一系列的量子計算機的平臺/體系，有超導、硅基以及拓撲量子計算，現(xiàn)在沒有人知道哪一個能夠勝出。

我們需要深刻認識到“人人有責”不是重復建設，而是每一位科研工作者和從業(yè)人員將各自領域的單項技術做到極致、做成世界一流才有機會攻克量子計算的難關。

量子計算目前處在怎樣的水平呢？我們剛剛跨過了 “量子優(yōu)越性”的階段，美國人稱為“量子霸權”，但中國人不喜歡霸權所以叫量子優(yōu)越性。量子霸權的英文是“Quantum supremacy”，量子優(yōu)越性是“Quantum superiority”，證明量子計算機跟經(jīng)典計算機相比，對特定的問題，量子計算機有無與倫比的算力優(yōu)勢。

具體來說，2019年谷歌第一個出廠的“懸鈴木”量子處理器用53個量子比特成功展示了在統(tǒng)計問題上的量子優(yōu)越性，隨后，我國2020年的“祖沖之”超導量子體系，以及2021年推出的“九章”系列光量子計算機。特別是“九章三號”，在解決高斯玻色采樣這一極具挑戰(zhàn)性的問題上，展現(xiàn)出了量子計算機無與倫比的優(yōu)越性。“九章三號”在執(zhí)行高斯玻色采樣任務時，僅用百萬分之一秒便完成了計算，而這項任務若交由當前最強大的經(jīng)典超級計算機來完成，預計需要200億年。 但“九章”量子計算機尚不具備通用編程能力，因此無法直接應用于其他類型的問題，要一事一議，算完這個問題就不能用于解決別的問題了。因此，當前量子計算仍處于解決特定復雜物理問題的階段。

今年兩會上，中央提出要開辟量子信息技術的新賽道。深圳量子研究院始建于2016年底，到現(xiàn)在已經(jīng)成為國家科技核心戰(zhàn)略力量的一個南方支柱。2020年有三項成果成功入圍了中國十大科技進展，2021年更是直接入選了中國十大科技進展。 

超導量子計算機－高集成度量子測控系統(tǒng)

上圖是深圳超導量子計算機的樣子，里面的真實情況是66個比特的芯片放在這個地方，通過各種各樣的操控線路來控制它。66個比特都這么復雜了，如果600比特、6000比特呢？所以說，量子比特非常難。 

未來的超導量子計算機示例

去年的深圳量子研究院有個里程碑的工作是展示把五個量子芯片連接起來，《nature》說這個工作使量子網(wǎng)絡起死回生，或者是賦予量子網(wǎng)絡以生命。

2022年，深圳量子研究院還做了一項工作，被美國物理學會評為“十大年度亮點”工作，跟“激光點火”等入選了世界物理十大進展，這項工作基于光量子網(wǎng)絡，首次以確鑿的實驗證據(jù)排除了以實數(shù)形式描述標準量子力學的可能性。

量子計算機現(xiàn)在處于什么階段呢？盡管，量子計算機從理論來講是2的N次方，且是呈指數(shù)增加的。但是，有兩個因素在制約它，首先，量子比特之間的精確操控與協(xié)同工作是一大難題。這好比一個團隊在進行復雜任務，每個成員（即量子比特）都需要嚴格按照指令行動，但由于量子系統(tǒng)的微妙與脆弱，即便是微小的偏差（如45度與44.9度的微小差異）也可能導致整個計算過程的失敗。其次，量子信息的有效傳遞也是一大難題。這是目前非常難的問題。美國為什么敢于賭博，因為從物理原理來說沒有任何問題，但技術工程挑戰(zhàn)非常難，要每一步慢慢迭代，量子計算機大約處在這樣一個階段。

目前量子計算機單個比特執(zhí)行命令的保真度正確性是0.99，發(fā)號施令的準確度也是0.99，跟經(jīng)典計算比，錯誤率比它高12個量級，經(jīng)典計算備份以后肯定不會出錯，但是量子芯片會出錯，所以量子計算機不糾錯的話沒有任何用處。而一糾錯就會迎來新的錯誤，這個錯誤會越糾越錯。

去年深圳量子研究院的工作就是解決這個問題，展示糾錯后有了正增益，這一成果也入選了2023年度中國科學十大進展。糾錯是當下量子計算研究中很重要的內容。

現(xiàn)在量子計算機是怎么用的呢？要有專用的量子計算機，別人有很復雜的問題讓我們去解決，我們設計一個量子線路、集成一個量子的算法去解決這個問題，這種定制化的問題解決方案是不通用的。

因此，量子計算機處在一個剛剛過了量子優(yōu)越性的階段，如何通過有效的糾錯策略來提升其計算穩(wěn)定性和能力，如果錯誤率到了0.999999就可以做非常大、非常復雜的事情，現(xiàn)在只是在0.99、0.999的過程當中努力。 

四、量子計算任重道遠，不要捧殺，也不要棒殺

黨的二十屆三中全會和今年兩會的議題當中提到，我國在2035年建成科技強國，中國從政府投入來看，已經(jīng)是科技強國了，跟美國差不多。但是缺乏原始創(chuàng)新，手機、電腦、高鐵、飛機、光線、衛(wèi)星等等，哪一樣都不是中國人提出來的。日本人最近20年有20個諾獎，中國缺乏原始創(chuàng)新，沒有一個技術的源頭在我們這兒。

“卷”是我國缺乏創(chuàng)新最本質的表現(xiàn)，現(xiàn)在太陽能電池都是白菜價，包括鋰離子電池的電動汽車全世界都圍剿我們。馬斯克講的話我非常認同，真正的強者是永遠壟斷的，你遙遙領先在前面跑，永遠是壟斷的，只有弱者才會缺乏創(chuàng)新。“卷”是對創(chuàng)新的褻瀆，我們目前缺乏的是原始創(chuàng)新。

過去，在科技評價體系中過于偏重論文發(fā)表，對工程技術和技術人才非常不重視，比如，能夠看到原子的透射電子顯微鏡&冷凍電鏡，獲得了四個諾獎，而實際上，我們國家早在1964年，8分的紀念郵票就是紀念造出了200kV透射電子顯微鏡的，但后來人才丟失了、技術丟失了，導致這一領域未能延續(xù)。

還有一個文化是“寧為雞頭不為鳳尾”，我的學生在美國，他說光刻機大約有220多萬個零配件，他采購全球5000多家企業(yè)，每一個零配件都是世界最頂級的，只有每一個零配件做成世界一流才能集成有用的世界一流的系統(tǒng)。而量子計算機比光刻機復雜很多，現(xiàn)在都是爭當“雞頭”，都在重復建設，不把單項技術做到世界一流的話，怎么能夠做出能干的量子計算機。量子計算機需要各行各業(yè)的人協(xié)同作戰(zhàn)，不是重復性建設。

量子計算從物理原理來講肯定沒有任何問題，前面已經(jīng)展示了量子的優(yōu)越性，對特定的問題量子計算機有無與倫比的算力優(yōu)勢，“九章3號”是200億年對百萬分之一秒的優(yōu)勢。而目前，量子計算機操控的精度處在比較前期，還需要不斷地擴展、不斷精確地調控，也要應用量子計算機，哪怕是數(shù)字的優(yōu)化、超量的融合也要做的。還有加密技術也是需要的，包括精密測量等都在用。

當前，量子計算機過了優(yōu)越性展示，要實現(xiàn)從專業(yè)的量子計算機到最后的通用量子計算機的飛躍，需要量子計算機每個企業(yè)把核心設備做到最極端，做成世界第一。然而，我國現(xiàn)有的工業(yè)機制面臨挑戰(zhàn)，若每個環(huán)節(jié)均需從頭開始，將極大延緩創(chuàng)新進程。相比之下，美國等先進國家已建立起標準化的生產(chǎn)流程與高效的供應鏈體系，設計、采購與加工等環(huán)節(jié)高效協(xié)同，這正是我們在研發(fā)道路上亟待突破的困局。

我從兩個維度詮釋創(chuàng)新，第一，現(xiàn)在什么熱做什么的跟班式研究，就是“卷”，當然卷也有好處，現(xiàn)在我們國家把高層次的文章做到世界第一了。如今應該是把冷板凳坐熱，讓別人跟著我們去做，第一個要從原始創(chuàng)新，要從坐冷板凳開始，把冷板凳坐熱。

第二，追求極致、追求原創(chuàng)。把當下沒用的技術做到極致就有可能得諾獎，如果把當下沒用的技術做到有用就可能發(fā)財。三百六十行，行行出狀元，沒有什么高低貴賤，任何事業(yè)把它做到最極致就可以了，要追求極致，追求原創(chuàng)。

第三，注重應用、切忌玩弄“奇技淫巧”，量子計算機可能還有很多年的發(fā)展，不能等。中國發(fā)明了火藥，西方人搞了《火藥學》，設了炸藥獎，這個炸藥獎就是響當當?shù)闹Z貝爾獎。要注重應用，任何東西得想著應用，如湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，即便在當時難以立即預見其具體應用，他仍堅信這一發(fā)現(xiàn)具有廣闊的未來前景。

量子計算，路阻且遠，不要捧殺，也不要棒殺，需要不斷加強人才儲備、努力打造量子信息技術生態(tài)鏈，讓科學家去做科學家的事情，企業(yè)做好企業(yè)的事情。

量子計算，人人有責，只有每個人把自己的行業(yè)和領域做到極致、做成藝術品，才有可能制造出具有顛覆性算力的強大的量子計算機。

（整理者：林美丹。本文經(jīng)俞大鵬院士審訂）