專(zhuān)訪中國(guó)科學(xué)院院士丁洪：量子計(jì)算的商業(yè)化可能需要10~20年，未來(lái)有望在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥物效果等新藥研發(fā)領(lǐng)域取得突破

每經(jīng)記者 張蕊    每經(jīng)編輯 陳旭

丁洪，中國(guó)科學(xué)院院士，上海交通大學(xué)李政道研究所副所長(zhǎng)、講席教授，知名凝聚態(tài)物理學(xué)家。

他是美國(guó)物理學(xué)界第一位全職回國(guó)的正教授，回國(guó)的十幾年間，丁洪和他的團(tuán)隊(duì)在量子材料和量子計(jì)算領(lǐng)域產(chǎn)出了多項(xiàng)具有國(guó)際重大影響力的原創(chuàng)性成果。

2015年，丁洪研究組在國(guó)際上首次在固體材料中發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子，入選“物理評(píng)論”系列期刊125周年紀(jì)念論文集（共49項(xiàng)，其中34項(xiàng)獲諾貝爾獎(jiǎng)）、中國(guó)科學(xué)院改革開(kāi)放四十年40項(xiàng)標(biāo)志性重大科技成果—“拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域系列研究”、2015、2017和2018年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展/中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞等。

2024年11月，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院（TWAS）獎(jiǎng)揭曉，丁洪被授予當(dāng)年物理、天文和空間科學(xué)獎(jiǎng)（共享），以表彰他對(duì)發(fā)現(xiàn)外爾費(fèi)米子和固體中其他新型拓?fù)湎嚓P(guān)準(zhǔn)粒子的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

3月27日至31日，2025中關(guān)村論壇年會(huì)在京召開(kāi)。年會(huì)期間，丁洪院士參加了量子科技創(chuàng)新發(fā)展論壇。論壇間隙，丁洪接受了《每日經(jīng)濟(jì)新聞》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)NBD）記者的采訪。

今年的政府工作報(bào)告提出，培育生物制造、量子科技、具身智能、6G等未來(lái)產(chǎn)業(yè)。在采訪中，對(duì)于量子計(jì)算的商業(yè)化進(jìn)程、哪些行業(yè)將率先受益、量子計(jì)算機(jī)未來(lái)是否會(huì)取代家用電腦、量子計(jì)算和人工智能的結(jié)合會(huì)怎樣改變我們的生活等話(huà)題，丁洪院士進(jìn)行了深入解讀。

量子計(jì)算的商業(yè)化可能需要10年到20年時(shí)間

NBD：您能不能通俗解釋一下什么是量子計(jì)算？

丁洪院士 每經(jīng)記者 張蕊 攝

丁洪：量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算的主要區(qū)別在于其計(jì)算方式。經(jīng)典計(jì)算采用二進(jìn)制，比特的狀態(tài)只能是0或1，輸入和輸出都是固定的。

而量子計(jì)算則基于量子比特，其狀態(tài)是0和1的疊加，具有不確定性，輸入輸出都不固定。一個(gè)量子比特可以同時(shí)代表兩種信息，兩個(gè)量子比特可以代表四種信息，以此類(lèi)推。

例如，50個(gè)量子比特就代表2的50次方種可能性，它在理想狀態(tài)下運(yùn)算1次就相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算運(yùn)算100萬(wàn)億次。這種并行計(jì)算的能力使得量子計(jì)算在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，其計(jì)算效率遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算。

NBD：谷歌量子部門(mén)負(fù)責(zé)人表示，谷歌計(jì)劃在5年內(nèi)發(fā)布商業(yè)量子計(jì)算應(yīng)用。對(duì)此您怎么看？您覺(jué)得量子計(jì)算5年內(nèi)會(huì)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化嗎？

丁洪：我其實(shí)是比較樂(lè)觀的，但是量子計(jì)算的商業(yè)化進(jìn)程不會(huì)一蹴而就，而是一個(gè)逐步推進(jìn)的過(guò)程。從一些非常小的領(lǐng)域開(kāi)始，逐漸拓展其應(yīng)用范圍。樂(lè)觀地看，量子計(jì)算的商業(yè)化可能需要10~20年的時(shí)間。

量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程類(lèi)似，從1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生到20世紀(jì)80年代和90年代計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，中間也經(jīng)歷了40多年的發(fā)展。而量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展難度更大，盡管科技進(jìn)步的速度在加快，但量子計(jì)算的難度依然非常大。有人甚至開(kāi)玩笑說(shuō)，是量子計(jì)算機(jī)先造成，還是太陽(yáng)燃燒殆盡？因此也有人對(duì)量子計(jì)算的未來(lái)持悲觀態(tài)度，認(rèn)為其可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這也是有可能的。

量子計(jì)算機(jī)應(yīng)該不會(huì)取代家用電腦

NBD：一旦量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，您覺(jué)得哪些行業(yè)會(huì)率先受益呢？

丁洪：量子科技的應(yīng)用前景廣闊，其中一些行業(yè)有望率先受益。

首先，最先受益的應(yīng)該是量子精密測(cè)量領(lǐng)域。例如，量子技術(shù)在時(shí)鐘精度的提升上具有重要作用，這將極大地提高定位的準(zhǔn)確性。此外，量子技術(shù)還可用于預(yù)防性心臟病的檢測(cè)等領(lǐng)域。

其次是量子加密，即量子通信，已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力。我國(guó)潘建偉院士在這一領(lǐng)域就做到了世界領(lǐng)先地位?，F(xiàn)在，量子加密手機(jī)等產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世，量子加密耳機(jī)等設(shè)備也已投入應(yīng)用，兩個(gè)人戴著耳機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)加密溝通。這些都涉及量子加密。

隨著量子計(jì)算技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，如果量子糾錯(cuò)做得好的話(huà)，首先也可能用到密碼破譯方面，用來(lái)解密密碼。另外，在一些復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)模擬、藥物篩選與發(fā)現(xiàn)等方面也將發(fā)揮重要作用，加速其發(fā)展。

未來(lái)，量子計(jì)算與人工智能的結(jié)合將帶來(lái)顛覆性的變革，推動(dòng)多個(gè)行業(yè)的快速發(fā)展。我曾經(jīng)說(shuō)，有幾個(gè)可以改變未來(lái)的終極產(chǎn)業(yè)，除了量子計(jì)算，另外一個(gè)就是核聚變。

NBD：您覺(jué)得量子計(jì)算機(jī)未來(lái)會(huì)取代家用電腦嗎？

丁洪：我認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)并不會(huì)取代家用電腦，而是與經(jīng)典計(jì)算機(jī)并行存在。

量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算的模式和應(yīng)用場(chǎng)景存在顯著差異。經(jīng)典計(jì)算是線(xiàn)性的，逐步進(jìn)行計(jì)算，每一步都做得很快；而量子計(jì)算則是利用量子疊加態(tài)，并不需要每一步都做得很快，它是所有的步驟一起來(lái)做，它天然對(duì)并行計(jì)算有利，能夠同時(shí)處理多個(gè)計(jì)算任務(wù)。

NBD：那我們普通人有可能會(huì)用上量子計(jì)算機(jī)嗎？

丁洪：這是有可能的，因?yàn)橛泻芏鄦?wèn)題使用量子計(jì)算是很合適的。比如，微觀世界就是個(gè)量子的微觀世界，量子計(jì)算在處理微觀世界的問(wèn)題時(shí)具有天然的優(yōu)勢(shì)，例如模擬化學(xué)反應(yīng)等。經(jīng)典計(jì)算機(jī)在處理這些問(wèn)題時(shí)可能會(huì)遇到巨大困難，甚至無(wú)法完成。二者是不同的，經(jīng)典世界和量子世界存在很大區(qū)別。

有人說(shuō)，半導(dǎo)體是傳奇的過(guò)去，人工智能是生機(jī)蓬勃的現(xiàn)在，量子計(jì)算是不可避免的未來(lái)。所以它是一個(gè)未來(lái)，我相信它總會(huì)到來(lái)的，也希望它盡快到來(lái)。

近期中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建105比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之三號(hào)”，再次打破超導(dǎo)體系量子計(jì)算優(yōu)越性世界紀(jì)錄 圖片來(lái)源：新華社

量子計(jì)算會(huì)對(duì)人工智能的發(fā)展產(chǎn)生顯著提升

NBD：您剛剛也提到人工智能，您覺(jué)得量子計(jì)算和人工智能的結(jié)合會(huì)怎樣改變我們的生活？

丁洪：量子計(jì)算與人工智能的結(jié)合將在多個(gè)方面推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步。

量子計(jì)算肯定會(huì)對(duì)人工智能的發(fā)展產(chǎn)生顯著的提升作用。因?yàn)槿斯ぶ悄苊鎸?duì)的是巨量的數(shù)據(jù)，它需要很快的算力、很優(yōu)越的算法，所以量子計(jì)算在某些方面肯定會(huì)顯著提升人工智能的算力，加速其演算過(guò)程。

同時(shí)，人工智能也可以為量子計(jì)算提供支持，例如幫助尋找適合量子計(jì)算機(jī)的材料和途徑。如果將人腦、人工智能腦和量子腦這不同的三者相結(jié)合，可能會(huì)對(duì)人類(lèi)文明的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

NBD：量子計(jì)算的算力真的會(huì)出現(xiàn)上億倍的增長(zhǎng)嗎？

丁洪：量子計(jì)算的算力確實(shí)具有指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的潛力。量子計(jì)算利用量子疊加態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)并行計(jì)算。

例如，50個(gè)量子比特可以實(shí)現(xiàn)2的50次計(jì)算。每增加一個(gè)量子比特，算力就會(huì)翻倍。這種指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的速度非常驚人，所以一旦量子計(jì)算機(jī)的算力超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)，其在速度方面的優(yōu)勢(shì)將無(wú)法比擬。

然而，量子計(jì)算也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，其中最大的問(wèn)題是量子比特的穩(wěn)定性。量子比特非常脆弱，容易受到外界干擾，導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。

目前，我們尚未找到完全避免量子比特出錯(cuò)的方法，但相關(guān)研究正在不斷推進(jìn)。當(dāng)然，我現(xiàn)在從事的拓?fù)淞孔佑?jì)算如果能實(shí)現(xiàn)，那就能從原理上避免出錯(cuò)，大幅降低出錯(cuò)率。如果能夠?qū)崿F(xiàn)量子計(jì)算的穩(wěn)定運(yùn)行，這對(duì)人類(lèi)社會(huì)的貢獻(xiàn)將是巨大的。

量子計(jì)算有望在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥物效果方面取得突破

NBD：如果量子計(jì)算的算力真能實(shí)現(xiàn)上億倍增長(zhǎng)，您最希望它能解決我們?nèi)祟?lèi)面對(duì)的什么難題？

丁洪：量子計(jì)算在解決復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題方面具有巨大的潛力。例如，在新藥研發(fā)領(lǐng)域，目前的計(jì)算方法難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥物的效果，但量子計(jì)算有望在這方面取得突破。

另外，在天氣預(yù)報(bào)方面，量子計(jì)算與人工智能的結(jié)合將極大地提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，能更好地模擬和預(yù)測(cè)自然現(xiàn)象，從而為人類(lèi)社會(huì)提供更準(zhǔn)確的預(yù)警和決策支持。

量子計(jì)算算力的大幅提升，對(duì)于人工智能的推動(dòng)作用是巨大的，借助這種強(qiáng)大的算力，AI的智慧有可能超過(guò)人類(lèi)，由此可以幫人做很多事情，并推動(dòng)科學(xué)研究的深入發(fā)展。

比如它可以幫人做科研、科學(xué)發(fā)現(xiàn)，甚至做物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家和化學(xué)家等等，可以進(jìn)行更復(fù)雜的計(jì)算和研究，一旦會(huì)做，會(huì)比人做得更好。一旦量子計(jì)算與人工智能的結(jié)合取得成功，整個(gè)地球文明將邁向一個(gè)全新的高度。這里我說(shuō)的是地球文明，不是說(shuō)人類(lèi)文明，因?yàn)槌?jí)AI來(lái)臨后，非人類(lèi)的文明也可以出現(xiàn)。

NBD：現(xiàn)在量子計(jì)算有不同的技術(shù)路徑，包括超導(dǎo)量子電路以及您剛才提到的拓?fù)淞孔佑?jì)算等等，不同的技術(shù)路徑是并行的嗎？

丁洪：對(duì)，目前量子計(jì)算存在多種技術(shù)路徑。從簡(jiǎn)單的分類(lèi)來(lái)看，一種是拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子計(jì)算，另一種是非拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子計(jì)算，后者需要通過(guò)糾錯(cuò)來(lái)保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。非拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子計(jì)算技術(shù)路徑眾多，比如超導(dǎo)量子計(jì)算、中性原子量子計(jì)算、離子阱量子計(jì)算、光量子計(jì)算等等。這些技術(shù)路徑都面臨著量子比特出錯(cuò)的問(wèn)題，其中超導(dǎo)和中性原子計(jì)算的進(jìn)展比較快。

相比之下，拓?fù)浔Ｗo(hù)的量子計(jì)算被認(rèn)為是一種理論上不易出錯(cuò)的技術(shù)路徑，但目前尚未實(shí)現(xiàn)完全的拓?fù)淞孔佑?jì)算。

拓?fù)淞孔佑?jì)算最近出現(xiàn)新的進(jìn)展。美國(guó)微軟公司2月19日宣布推出全球首款基于拓?fù)淞孔颖忍氐牧孔犹幚砥?ldquo;馬約拉納1號(hào)”，聲稱(chēng)“標(biāo)志著向?qū)嵱昧孔佑?jì)算邁出了變革性的一步”。但業(yè)界對(duì)此仍存在較大爭(zhēng)議。

這款量子處理器在工藝上面的推動(dòng)作用非常大，投入也非常大，因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)已經(jīng)花了將近20年來(lái)做這個(gè)事情，一旦實(shí)現(xiàn)突破，就有可能成為實(shí)用量子計(jì)算機(jī)的晶體管，所以還是未來(lái)可期。

封面圖片來(lái)源：每經(jīng)記者張蕊攝