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杭州網(wǎng)訊在11月23日舉行的“2019網(wǎng)易未來大會”上，中國科學(xué)院院士、著名量子信息學(xué)家郭光燦發(fā)表題為“量子信息技術(shù)時代何時到來”的主題演講。作為中國量子信息領(lǐng)域第一個科技部973項目的首席科學(xué)家，郭光燦對“第二次量子革命；量子革命當(dāng)中最具有代表性、顛覆性的技術(shù)——量子計算機；量子信息技術(shù)時代何時到來”三個重要問題進行了分享。
他談到，現(xiàn)在用的經(jīng)典器件性能達到極限以后，能夠突破極限，量子計算機、量子電腦、量子傳感、通信等性能會遠遠超越現(xiàn)在相應(yīng)的工具，這樣一來會使現(xiàn)代的技術(shù)發(fā)展功能達到更強大的水平，“這樣人類社會的生產(chǎn)力將會提高到一個新的階段，我們稱之為第二次量子革命”。
“在這個基礎(chǔ)里面最重要、最有顛覆性的技術(shù)叫量子計算機，量子計算機最早是費曼1981年提出來的?！?郭光燦提到量子計算機要做的事和電子計算機是一樣的，就是算問題?！拔乙阋粋€問題，用算好的量子算法，變成量子編程，然后發(fā)出一系列指令控制量子芯片，最后把這個問題算出來。”將來真的量子計算機做出來了，那我們?nèi)祟愔灰陔娔X旁邊輸入問題，就可以通過量子程序得到經(jīng)典數(shù)。
量子計算機的發(fā)展要經(jīng)歷量子原型機、量子霸權(quán)和量子通用機三個階段，目前人類正在走向量子霸權(quán)階段，從霸權(quán)到通用機要解決兩大問題，第一比特數(shù)不是100，可能幾萬到百萬，非常多，這是一個難點；第二相干時間要足夠長才能算所有問題，人類還無法做到容錯糾錯技術(shù)?！皬牧孔影詸?quán)到通用量子計算機還是要相當(dāng)長的時間才能做到，即便是霸權(quán)出來了，我們還不能說量子計算機做好了，因為還相當(dāng)遠，還沒有達到?！?/p>
郭光燦認為，量子技術(shù)時代到來面臨兩大困難：一是人造宏觀系統(tǒng)非常脆弱，想保證相干時間不被破壞，這是個難點；二是是人類對量子世界的操控能力不夠成熟。研究是一個艱難的過程，不是一朝一夕可以做到的。
附：以下為中國科學(xué)院院士、著名量子信息學(xué)家郭光燦演講內(nèi)容，根據(jù)速記整理。
很高興能夠在網(wǎng)易論壇上做一個演講，我演講的題目是“量子信息技術(shù)時代何時到來”。這是大家很關(guān)注的一個問題，因為現(xiàn)在關(guān)于量子大家聽得非常多，對這個問題也很期待，所以我今天想講三個問題：第一個，什么是第二次量子革命？第二個，量子革命當(dāng)中最具有代表性的、顛覆性的技術(shù)——量子計算機，也就是剛剛主持人說的“量子霸權(quán)”有關(guān)的一個器件，介紹它是不是量子霸權(quán)，什么是量子霸權(quán)；最后一個是量子信息技術(shù)時代什么時候能夠到來。
首先講第一個問題，什么是第二次量子革命？我們是一個宏觀世界，我們叫經(jīng)典世界，在我們的世界里，學(xué)物理的都知道我們研究的對象有兩類，要么粒子，要么波，而粒子和波尊崇的物理定律叫經(jīng)典物理，這是在19世紀末。但是20世紀初物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)自然界還存有另外的粒子，這個粒子同時具有波動性和粒子性，叫量子力學(xué)。量子力學(xué)誕生了一百多年來之前所預(yù)言的所有都是對的，所以量子力學(xué)是人類至今最成功的理論。這個理論不僅是成功，而且為人類的社會已經(jīng)作出重大貢獻，電腦、激光等等都是有量子力學(xué)的原理才能誕生的。但是這個誕生以后的器件本身是尊崇經(jīng)典物理的定律，我們叫經(jīng)典器件，或者經(jīng)典技術(shù)，所以我們現(xiàn)在的信息時代是經(jīng)典信息時代。
量子世界既然有一種不同于經(jīng)典世界的性質(zhì)，我們能不能把它開發(fā)出來用于我們?nèi)祟惿鐣衼?？這就是物理學(xué)家這二十多年努力的一個目標，發(fā)現(xiàn)量子性可以開發(fā)出一系列的工具，比如說量子計算機、量子傳感，這些都是從量子力學(xué)的基本原理推導(dǎo)出來的，它們肯定是對的。但是這些器件和我們現(xiàn)在用的電腦、激光、互聯(lián)網(wǎng)不同，他們尊崇的物理定律是量子力學(xué)，所以我們稱為量子器件或者量子技術(shù)。
那么這種器件它有什么優(yōu)點？當(dāng)我們現(xiàn)在用的經(jīng)典器件性能達到極限以后，能夠突破極限的就是量子技術(shù)，所以量子計算機和量子電腦、量子傳感、通信等性能會遠遠超越現(xiàn)在相應(yīng)的工具，這樣一來會使現(xiàn)代的技術(shù)發(fā)展功能達到更強大的水平。所以如果真的到來了，那人類社會的生產(chǎn)力將會提高到一個新的階段，我們稱之為第二次量子革命。
第二次量子革命的意義，就是把量子信息的技術(shù)開發(fā)成人類有用的新一代技術(shù)，這一類技術(shù)叫量子信息技術(shù)，它是人類新一代未來的技術(shù)，現(xiàn)在還做不到，這就是第二次量子革命。在這個基礎(chǔ)里面最重要、最有顛覆性的技術(shù)叫量子計算機，量子計算機最早提出是費曼1981年提出來。我們怎么來了解這個規(guī)律呢？我們用電腦模擬，電子計算機的電腦不能模擬量子力學(xué)運行規(guī)律，所以費曼第一次報告里面說我們可以使用那些本身就滿足量力學(xué)的基本元件來構(gòu)造一個計算機，這個計算機就可以很容易的模擬量力學(xué)的演化，這個計算機就是量子計算機，所以量子計算機的概念是從這里來的。
一旦量子計算機做出來了，它會超越現(xiàn)在的計算機，比如說Shor提出如果要解決一個數(shù)學(xué)問題，它的功能要遠遠超過電子計算機，比如這個數(shù)是129位，分成兩個數(shù)，數(shù)數(shù)相乘很難分，1994年曾經(jīng)做過并行處理把這個數(shù)算出來了。如果這個做出來了，一秒鐘就可以做出來，如果把這個數(shù)拉長成500位，經(jīng)典計算是用同樣的能力，花的時間比整個宇宙的時間還要長，而量子計算機只要幾分鐘就夠了，所以量子計算機運算能力遠遠超過我們現(xiàn)在廣泛使用的電子計算機。
什么是量子計算機呢？怎么有這么大的威力？所謂量子計算機它要做的事跟電子計算機是一樣的，就是算問題，我要算一個問題，我就用算好的量子算化，變成量子編程，然后發(fā)出一系列的指令控制量子芯片，最后把這個問題算出來，所以它要完成的任務(wù)跟電子計算機一樣，比如說將來量子計算機真的做出來了，那我們?nèi)祟愔灰陔娔X旁邊，我們從電腦里輸入我的問題，輸入我的處理數(shù)據(jù)，然后這個問題就會連到量子計算機里面，量子計算機這個軟件就會把它變成量子程序，通過量子計算機一個操控系統(tǒng)就把這個運用到控制量子芯片，這個量子芯片再按這個系統(tǒng)做，做完把數(shù)據(jù)提出來，然后又回到我們的電子計算機，所以人類只要把電子計算機一開，你輸入經(jīng)典數(shù)，最后就得到經(jīng)典數(shù)，這個構(gòu)成完全跟電子計算機一樣，不同的是中間處理數(shù)據(jù)的辦法是用量子的辦法。
具體一點，比如說電子計算機我們處理的數(shù)是什么？就比配0和1，有一個操作的系統(tǒng)就是芯片，芯片去操作這個0、1信息的處理器，你操作一次，它就把這個數(shù)變成另外一個數(shù)，一步一步操作，這叫串行運算，所以電子計算機的運算能力是串行運算。量子就不一樣了，量子的狀態(tài)是不確定的，所以在量子世界里你說0或1它不確定，它處在什么狀態(tài)呢？把0和1加起來的那個狀態(tài)，那個叫量子態(tài)，叫量子比特，所以量子計算機處理的單元是量子比特本身，一個量子比特帶兩個經(jīng)典數(shù)，一個0，一個1，我們把它操作在元件上，這種能力叫做并行運算，這是量子計算機的量子信息帶來的后果。但是電子計算機是串行運算，這就是為什么說量子計算機它的運算能力會那么快的原因，就是電子計算機串行運算，一次操作就能夠處理一條信息，而量子計算機是并行運算，一次操作可以同時處理2個N次方數(shù)據(jù)，這樣它的運算能力就很高。
我們?nèi)祟悘乃惚P時代已經(jīng)到了現(xiàn)在的電子計算機時代，我們整個社會是翻天覆地的變化，人人都感受到這個，如果量子計算機做出來了，我們會從電子計算機的時代變到量子計算機時代，那人類社會將會有更大的變化，是另外一個天翻地覆的變化，這就是為什么量子計算機會引起大家非常關(guān)注的原因。要把量子計算機做成需要什么？需要硬件，把量子芯片做出來，軟件、操作系統(tǒng)、還有互聯(lián)網(wǎng)各方面都做好了才能做成一個真正有用的量子計算機，不光是芯片，這個就是一個系統(tǒng)工程。但是，核心要把處理器做出來，所以相當(dāng)一段時間里我們就困擾在用什么物理體系來做量子計算機，原因在哪里？在宏觀世界里量子性非常脆弱，很容易就破壞掉，比如說一個超導(dǎo)的芯片壽命是兩個納秒，如果你用超導(dǎo)把量子計算機做成了，它就能保存兩個納秒，它后面根本就不能用，這是最重要一個障礙。后來物理學(xué)家就進行了努力，他們花了13年的時間到了2012年，就把這個時間提高了5萬倍，變成100個微秒，100個微秒聽起來是很短的，但是在微觀世界里這100個微妙，在量子世界里它可以做數(shù)據(jù)處理了，所以那以后又到了新階段，從那以后量子計算機蓬勃發(fā)展。
最重要的是2016年IBM公布了全球首個量子計算機在線平臺，任何人通過互聯(lián)網(wǎng)可以到這個平臺進行操作量子計算機，當(dāng)時有五個處理器，太少了，但是它就是一個量子處理器，然后D—Wave推出了2000位量子退火處理器。我們中國在2018年創(chuàng)新了第一個量子計算機的公司，他們做了一個64位的量子虛擬機，他們可以在我們經(jīng)典計算機上面去模擬一個64位量子計算機的運行，這是當(dāng)時世界上最長的，后來他們又把操控系統(tǒng)一體化了。最重要是在今年，今年是一個重要的階段，IBM在年初推出全球首套商用量子計算機，它已經(jīng)不是在線放在實驗室里，他把它做成一個器件，一個商品，你可以拿去賣，就這樣一個獨立器件，這個是地地道道的一個量子處理器，所以它的并行運算優(yōu)點就體現(xiàn)出來了，這個我認為是一個重大進展，這是第一步重大進展。
然后今年到9月份，他當(dāng)時是20個量子比特，今年9月份他說我已經(jīng)到53個量子比特，10月份就可以做獨立的器件，如果要買你就可以買，這叫商用的。這個進展我認為是量子計算機研究的第一個重要的進展。然后緊接著一個星期，谷歌就宣布也做出53位量子處理器證實，在偽隨機量子采樣任務(wù)中證明量子計算機的能力超過經(jīng)典計算機，他宣稱我做到量子霸權(quán)，真的是霸權(quán)嗎？他這個機器是真的，但是不是超過一萬年？因為電子計算機的處理速度跟算法有關(guān)，但是它是一個很重要的進展，就是我們已經(jīng)快到霸權(quán)的階段，再往下發(fā)展它有可能是任何一個經(jīng)典算法在任何一個操作中都無法趕上的，這就是量子計算機要追求的第二個目標，量子霸權(quán)，這個確確實實已經(jīng)來了。
這個來了不等于量子計算機已經(jīng)到了，當(dāng)前的發(fā)展為什么這么快？一個是已經(jīng)從單純做量子芯片發(fā)展到硬件、軟件一起；第二個更重要的，從90年代以高校研究所為主的基礎(chǔ)研究，到了以公司為主導(dǎo)的商品為目標的這樣一種研究；第三個，它帶動了好多產(chǎn)業(yè)。現(xiàn)在國際上主要的公司美國最多，IBM、谷歌，還有微軟，澳大利亞有一個，荷蘭有一個，我們中國有華為大學(xué)有一個，還有達摩院，本源，還是百度，所以引起全世界的關(guān)注。
那么量子計算機的發(fā)展到底要幾個階段？第一個叫量子原型機，它五臟俱全，軟件、硬件、操作系統(tǒng)全都有，是地地道道的一個量子處理器，這是一個可以商品化的量子處理器；第二段就是所謂量子霸權(quán)，我把量子比特數(shù)增加到100個左右，但是量子霸權(quán)仍然不是我們需要的最終的量子計算機，為什么？因為它的相干時間很短，你能處理一些在100微妙能完成的那些任務(wù)，超過這個任務(wù)它就解決不了了，所以它叫專用機，不叫通用機，這是第二步，現(xiàn)在未必到霸權(quán)，但是我們已經(jīng)在往霸權(quán)這個階段走；一旦到了霸權(quán)仍然不是我們所需要的通用機，到了第三步才是我們最需要的，或者我們的終極目標，叫量子通用機。
這個通用機的概念就是所有問題都可以在我的量子計算機處理，這個從霸權(quán)到通用機要解決兩大問題，這兩大問題都很難。第一，比特數(shù)不是100，可能幾萬到百萬，非常多，這是一個難點；第二個更難的，就是相干時間，你的相干時間要足夠長才能算所有問題，不像100微秒就死掉了，所以為了保持相干時間足夠長必須采用一種技術(shù)，這個技術(shù)叫做容錯糾錯技術(shù)，要做到這個技術(shù)人類現(xiàn)在做不到，現(xiàn)在離這個技術(shù)還相當(dāng)遠，這就是現(xiàn)狀。所以從霸權(quán)到通用量子計算機還是要相當(dāng)長的時間才能做到，即便是霸權(quán)出來了，我們還不能說量子計算機做好了，因為還相當(dāng)遠，還沒有達到。
所以我們回答第三個問題，量子技術(shù)時代何時到來？有兩大困難，第一就是我說的它是一個人造的宏觀系統(tǒng)，它非常脆弱，你想保證它的相干時間不被破壞，這是個難點；第二點，就是人類對這個量子世界的操控能力不夠成熟，我們在經(jīng)典世界操控能力很強，人造智能機器，還有無人機等等，這些我們有精準的控制能力，但是量子沒有。2012年物理學(xué)諾貝爾獎，獎了兩位物理學(xué)家，是人類第一次真正操控了一個量子比特，現(xiàn)在是成百萬的量子比特，這有多難可以想象。它原理沒問題，早晚會做出來，但是研究它是一個艱難的過程，所以不是一朝一夕可以做到的。
那么什么時候量子時代才能到呢？通用量子計算機到了實際應(yīng)用的時候，一旦到了，我們就可以解決很多問題，比如搜索方法，現(xiàn)在這個用途很廣，比如藥物研究，我們研究一種藥物是一個多方面問題，還有其他的量子機器學(xué)習(xí)，包括量子計算、量子模擬、量子密碼都是如此，現(xiàn)在都還沒有實現(xiàn)。我的報告到此，謝謝。
