中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉：期望未來(lái)5年實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，再用10-15年構(gòu)建通用量子計(jì)算機(jī)

每經(jīng)記者 張寶蓮    每經(jīng)編輯 董興生    

11月18日，第五屆世界聲博會(huì)暨2022科大訊飛全球1024開(kāi)發(fā)者節(jié)在合肥拉開(kāi)序幕。開(kāi)幕式上，中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉發(fā)表演講，分享了量子計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀并展望未來(lái)。

1024開(kāi)發(fā)者節(jié)開(kāi)幕式主會(huì)場(chǎng) 圖片來(lái)源：每經(jīng)記者 張寶蓮 攝

潘建偉表示，經(jīng)過(guò)科學(xué)家40多年的努力，目前達(dá)到量子計(jì)算的第一階段。他期望能夠在未來(lái)5年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)10-15年的努力，構(gòu)建通用的量子計(jì)算機(jī)。

量子計(jì)算具有強(qiáng)大優(yōu)越性

當(dāng)前，中國(guó)在量子技術(shù)方面有一定引領(lǐng)地位。潘建偉表示，量子信息已經(jīng)在信息科學(xué)、能源科學(xué)、生命科學(xué)和材料科學(xué)等各個(gè)方面，都起到了巨大的推動(dòng)作用。但是在發(fā)展的過(guò)程中，也面臨一些問(wèn)題。

他舉例，大數(shù)據(jù)時(shí)代，計(jì)算能力需求在急速增長(zhǎng)，一般發(fā)展計(jì)算能力是用加強(qiáng)晶體管的集成度實(shí)現(xiàn)。而根據(jù)摩爾定律，在單位面積上可集成的晶體管的數(shù)目每18個(gè)月就可以增長(zhǎng)一倍。“目前的晶體管尺寸已經(jīng)達(dá)到4個(gè)納米，預(yù)計(jì)不到10年時(shí)間，就會(huì)達(dá)到亞納米尺寸。到了亞納米尺寸后，量子效應(yīng)就會(huì)開(kāi)始發(fā)生作用。”

量子計(jì)算的能力有多強(qiáng)大？潘建偉表示，它隨著糾纏粒子的數(shù)目增加而指數(shù)增長(zhǎng)。比如，一個(gè)比特在經(jīng)典事件里，手機(jī)和電腦上是處于0或者1，但到了量子系統(tǒng)里面就可以屬于0+1，但這個(gè)比特到了50個(gè)的時(shí)候，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)里面，只能處于2的50次方個(gè)狀態(tài)的某一個(gè)。但到了量子世界里，它就可以處于2的50次方種狀態(tài)的相干疊加。如果對(duì)一個(gè)300萬(wàn)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，用目前的萬(wàn)億次的經(jīng)典計(jì)算機(jī)大概需要15萬(wàn)年，但是用量子計(jì)算機(jī)只需要一秒鐘。因此量子計(jì)算機(jī)有非常好的前景與應(yīng)用。

前途光明，過(guò)程曲折。整個(gè)量子計(jì)算被分成三個(gè)階段，潘建偉談道：“經(jīng)過(guò)科學(xué)家40多年的努力，我們才達(dá)到了第一階段。”潘建偉說(shuō)，第一階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)50個(gè)粒子左右的相干操縱。比如玻色取樣組合優(yōu)化，這方面的計(jì)算能力能夠超過(guò)目前的超級(jí)計(jì)算機(jī)，而這一目標(biāo)現(xiàn)在已經(jīng)順利完成。如果未來(lái)一旦達(dá)到100個(gè)粒子，在某些特定計(jì)算上，它相當(dāng)于達(dá)到目前全球計(jì)算能力總和的100萬(wàn)倍。

期望10-15年構(gòu)建通用量子計(jì)算機(jī)

目前，科學(xué)家們正在量子計(jì)算領(lǐng)域做些什么？

潘建偉表示，因?yàn)榱孔佑?jì)算特別容易出錯(cuò)，希望通過(guò)5-10年的努力，找到一種手段讓計(jì)算不發(fā)生錯(cuò)誤，這樣需要發(fā)展的手段便是量子糾錯(cuò)，能夠?qū)⒂?jì)算中發(fā)生的錯(cuò)誤消除。潘建偉正在做這樣一件事，并期望能夠用4-5年的時(shí)間完成。在糾錯(cuò)順利完成的基礎(chǔ)之上，通過(guò)10-15年的努力，構(gòu)建通用的量子計(jì)算機(jī)。

圖片來(lái)源：直播截圖

潘建偉表示，在量子計(jì)算能夠順利完成糾錯(cuò)后，未來(lái)5-10年，能夠來(lái)操縱數(shù)百個(gè)乃至數(shù)千個(gè)量子比特，構(gòu)建專(zhuān)用的量子計(jì)算機(jī)，針對(duì)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的具有重大科學(xué)意義的物理問(wèn)題、化學(xué)問(wèn)題、醫(yī)藥問(wèn)題。鑒于量子計(jì)算的優(yōu)越性，傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)光靠算法改進(jìn)幾乎不可能超越。

他談到，第一個(gè)宣稱(chēng)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的是谷歌公司，而2021年中國(guó)研制的“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算優(yōu)越性，除了在讀出錯(cuò)誤率上稍微比谷歌差一點(diǎn)外，其他所有指標(biāo)都優(yōu)于谷歌。他表示，在求解隨機(jī)路線(xiàn)采樣問(wèn)題上“祖沖之號(hào)”比目前的最優(yōu)經(jīng)典算法有10萬(wàn)倍的計(jì)算優(yōu)勢(shì)。

此外，中科院團(tuán)隊(duì)利用最新的一種經(jīng)典計(jì)算算法——張量網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，打破了谷歌的量子計(jì)算優(yōu)越性。目前科大的團(tuán)隊(duì)正在用超級(jí)計(jì)算機(jī)驗(yàn)證張量網(wǎng)絡(luò)算法，一旦得到驗(yàn)證，則意味著谷歌的量子計(jì)算優(yōu)越性在目前最好的算法下并不完全成立。由此可見(jiàn)，經(jīng)典和量子計(jì)算之間的較量從未停過(guò)。

潘建偉將這形容成一個(gè)非常有趣的故事，或者說(shuō)是一種游戲。但是在應(yīng)用上有很多實(shí)際的意義。例如制藥方面，化學(xué)反應(yīng)經(jīng)常會(huì)涉及到多個(gè)電子之間的相互作用。那么未來(lái)可以對(duì)一個(gè)包含幾十個(gè)多電子復(fù)雜體系的勢(shì)能面的精確信息進(jìn)行計(jì)算。

另外，對(duì)于量子計(jì)算硬件的發(fā)展趨勢(shì)，潘建偉表示，按照谷歌的計(jì)劃，到2029年、2030年時(shí)，大概可以達(dá)到100萬(wàn)個(gè)或者百萬(wàn)量級(jí)的量子比特的操縱。那么這個(gè)時(shí)候就有可能對(duì)大數(shù)分解進(jìn)行破解了。潘建偉稱(chēng)：“這個(gè)領(lǐng)域盡管離我們還稍稍有點(diǎn)遠(yuǎn)，但是正在以非?？斓乃俣认蛭覀冏邅?lái)。”

“我們希望在未來(lái)5年實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)，然后來(lái)完成數(shù)百個(gè)乃至數(shù)千個(gè)量子比特的相干操縱，來(lái)解決量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化算法里面的一些問(wèn)題。同時(shí)我們希望能夠通過(guò)10-15年的努力，來(lái)進(jìn)行對(duì)密碼分析和大數(shù)分解等方面相關(guān)的應(yīng)用。”