陆朝阳：量子计算“升级打怪”需三步走

文／本刊记者 史 诗

让许多人不明觉厉的量子，其实是一个物理概念。

“量子即是离散变化的物质和能量最基本的单元。今天的笔记本电脑或者手机等计算的基本单元是1个比特，当有多个比特同时存在时，经过一个函数可将它们同时处理，再加上一些巧妙的算法设计，就可以得到非常快的加速。”

7月6日，在由国际理论物理中心（亚太地区）、中国科学院自然科学史研究所、中国科学院理论物理研究所和中国科学院青年创新促进会数理分会联合举办的“2021量子科技系列报告”第二讲上，中国科学技术大学教授陆朝阳将量子计算类比于保龄球游戏，讲述了量子世界种种让人惊呼神奇的现象。

神秘的量子世界

“当一个妹子叫你滚的时候，你永远不知道她真正的意思是叫你滚还是叫你过来抱紧？此时的你应该处于一种又抱又滚的量子力学状态。”这是网友对薛定谔提出的假想实验来说明量子力学预言的奇怪现象的形象描述。

陆朝阳表示，量子世界不同于经典世界，量子力学的一切实验结果都表明，量子世界允许一个物体同时存在于多种状态。这可以理解为，在量子世界，允许一个粒子同时在北京和上海两个地方。

而量子计算主要就是依赖于这个特性，其计算的基本单元是0和1，这两种状态就是同时存在的。

美国物理学家费曼（Richard Feynman）在20世纪80年代提出了量子计算的设想，描述了一种基于量子叠加原理的计算，在特定问题方面能指数级提高计算的速度。当量子计算机能解决某个经典计算机所无能为力的问题时，即达到了所谓的“量子优越性”。它既是量子计算发展的重要里程碑，也是迈向通用量子计算机的基础。

中国量子通信“直道超车”

陆朝阳同时提到了量子世界一个奇特的现象：量子的状态和其是否被测量相关。根据量子不可克隆原理和量子不可分割性质，在量子通讯过程中的窃听行为必然被发现。

也就是说，一旦有人窃听量子通信的通道，不可避免地会扰动、改变量子的状态，从而使通信双方察觉，在物理原理上提升了通信的安全性。因此，当一次一密，完全随机的情况下，加密内容是不可被破译的。

在安全的基础上，为了实现更远距离的通信，2016年8月，我国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星，实现了千公里的量子通信。陆朝阳曾说：“我们一直在做的不是弯道超车，而是直道超车。”

对此，陆朝阳特别谈到对原创性贡献的推崇。“我在浙江东阳中学的学长，后来担任中国科学技术大学校长的严济慈先生曾说过，‘要做教科书上的科学家而不是报纸上的科学家’。”

也就是基于量子科学实验卫星和“京沪干线”光纤量子保密通信技术验证与应用示范工程，我们国家首次描绘了天地一体化的量子通信网络的蓝图。

量子计算刚刚走出基础研究阶段

不同于“第一次量子革命”对量子规律的认识和其在宏观世界的应用，以量子信息技术为主导的“第二次量子革命”，引发全球广泛关注。

在计算机芯片集成度不断提高，计算速度越来越快，尺寸越来越小，已经逼近物理极限的今天，我们该如何提高计算机的运算速度？

量子科技无疑是新的解决之道。

但陆朝阳指出，自2015年-2016年左右开始，人们进入一个过度乐观的状态。随着一些大公司的介入，经常出现一些“标题党”式新闻。其实，量子计算刚刚从基础研究迈入技术积存和集中攻关的阶段，为了让量子计算回到健康的发展轨道，中国科学技术大学团队提出“三步走”的路线图。

第一步，量子优越性（量子霸权）。量子霸权是一个学术定义，指能够造出一台在某个问题上超越经典计算机能力的量子计算机。

第二步，实用量子模拟机。未来的5—10年，我们希望实现一些有实用价值的，比如可以应用于材料设计、组合优化、大数据等的模拟机。

第三步，通用量子计算机。这是最终、最困难的目标。

“量子优越性”不是一蹴而就

2016年7月31日，美国发布量子霸权研究计划，同年8月，谷歌紧接着也发表了量子优越性方面的研究计划。2019年10月，谷歌推出53个量子比特的“悬铃木”量子计算机，认为用200秒就可以解决超算一万年的事情，从而宣布实现“量子霸权”。

2020年12月，潘建伟、陆朝阳等人自主研制的76个光子的量子计算原型机“九章”问世，实验显示，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，而目前世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。等效来看，“九章”的计算速度比“富岳”快100万亿倍，比“悬铃木”快100亿倍，并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。

“量子优越性不是一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争。最终，量子并行性会产生经典计算机望尘莫及的算力。”陆朝阳强调。