中國科學(xué)院院士潘建偉：期望未來5年實現(xiàn)量子糾錯，再用10-15年構(gòu)建通用量子計算機

每經(jīng)記者 張寶蓮    每經(jīng)編輯 董興生    

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

1024開發(fā)者節(jié)開幕式主會場 圖片來源：每經(jīng)記者 張寶蓮 攝

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

量子計算具有強大優(yōu)越性

當(dāng)前，中國在量子技術(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)等各個方面，都起到了巨大的推動作用。但是在發(fā)展的過程中，也面臨一些問題。

他舉例，大數(shù)據(jù)時代，計算能力需求在急速增長，一般發(fā)展計算能力是用加強晶體管的集成度實現(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個月就可以增長一倍。“目前的晶體管尺寸已經(jīng)達到4個納米，預(yù)計不到10年時間，就會達到亞納米尺寸。到了亞納米尺寸后，量子效應(yīng)就會開始發(fā)生作用。”

量子計算的能力有多強大？潘建偉表示，它隨著糾纏粒子的數(shù)目增加而指數(shù)增長。比如，一個比特在經(jīng)典事件里，手機和電腦上是處于0或者1，但到了量子系統(tǒng)里面就可以屬于0+1，但這個比特到了50個的時候，傳統(tǒng)計算機里面，只能處于2的50次方個狀態(tài)的某一個。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。如果對一個300萬的大數(shù)據(jù)進行分解，用目前的萬億次的經(jīng)典計算機大概需要15萬年，但是用量子計算機只需要一秒鐘。因此量子計算機有非常好的前景與應(yīng)用。

前途光明，過程曲折。整個量子計算被分成三個階段，潘建偉談道：“經(jīng)過科學(xué)家40多年的努力，我們才達到了第一階段。”潘建偉說，第一階段的目標(biāo)是實現(xiàn)50個粒子左右的相干操縱。比如玻色取樣組合優(yōu)化，這方面的計算能力能夠超過目前的超級計算機，而這一目標(biāo)現(xiàn)在已經(jīng)順利完成。如果未來一旦達到100個粒子，在某些特定計算上，它相當(dāng)于達到目前全球計算能力總和的100萬倍。

期望10-15年構(gòu)建通用量子計算機

目前，科學(xué)家們正在量子計算領(lǐng)域做些什么？

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

圖片來源：直播截圖

潘建偉表示，在量子計算能夠順利完成糾錯后，未來5-10年，能夠來操縱數(shù)百個乃至數(shù)千個量子比特，構(gòu)建專用的量子計算機，針對傳統(tǒng)超級計算機無法解決的具有重大科學(xué)意義的物理問題、化學(xué)問題、醫(yī)藥問題。鑒于量子計算的優(yōu)越性，傳統(tǒng)的超級計算機光靠算法改進幾乎不可能超越。

他談到，第一個宣稱實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的是谷歌公司，而2021年中國研制的“祖沖之二號”量子計算優(yōu)越性，除了在讀出錯誤率上稍微比谷歌差一點外，其他所有指標(biāo)都優(yōu)于谷歌。他表示，在求解隨機路線采樣問題上“祖沖之號”比目前的最優(yōu)經(jīng)典算法有10萬倍的計算優(yōu)勢。

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

潘建偉將這形容成一個非常有趣的故事，或者說是一種游戲。但是在應(yīng)用上有很多實際的意義。例如制藥方面，化學(xué)反應(yīng)經(jīng)常會涉及到多個電子之間的相互作用。那么未來可以對一個包含幾十個多電子復(fù)雜體系的勢能面的精確信息進行計算。

另外，對于量子計算硬件的發(fā)展趨勢，潘建偉表示，按照谷歌的計劃，到2029年、2030年時，大概可以達到100萬個或者百萬量級的量子比特的操縱。那么這個時候就有可能對大數(shù)分解進行破解了。潘建偉稱：“這個領(lǐng)域盡管離我們還稍稍有點遠(yuǎn)，但是正在以非?？斓乃俣认蛭覀冏邅?。”

“我們希望在未來5年實現(xiàn)量子糾錯，然后來完成數(shù)百個乃至數(shù)千個量子比特的相干操縱，來解決量子化學(xué)、新材料設(shè)計和優(yōu)化算法里面的一些問題。同時我們希望能夠通過10-15年的努力，來進行對密碼分析和大數(shù)分解等方面相關(guān)的應(yīng)用。”