瞭望·瞭望访谈 | 加速量子计算落地——专访中国科学院院士郭光灿

中国科学院院士郭光灿

　　量子计算机处理特定数据能力与电子计算机相比，相当于电子计算机与算盘相比

　　本源量子把72比特的“本源悟空”上到云端向全世界开放，被120多个国家的用户访问1200万次，已经算了25万个任务，证明我们的量子计算机是可用的

　　量子计算研究已经超越40多年前我们想象的那个理论上非常美好，实际上不知道能不能做出的范畴。可以肯定地说，量子计算机确实像当初预言的那样，会成为人类社会发展不可替代的一种新工具

　　如果量子计算能够进入真实应用场景，遇到问题反馈，研制新的性能，整个产业就可以有非常好的发展

　　文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺 马晓澄

　　量子计算技术是21世纪最有前景的前沿科技之一。美国把量子计算机的研发命名为“微型曼哈顿计划”，量子计算机被称为信息时代的“算力原子弹”。以量子计算技术为代表的量子科技，是中国在全球科技产业中开辟新领域、制胜新赛道的重要核心技术之一，具有深远的战略意义。

　　近日，中国量子信息奠基人、中国科学院院士郭光灿接受《瞭望》新闻周刊专访时表示，量子计算将带来翻天覆地的变化，我国目前的量子计算在国际上处在第一梯队，但距离世界最前沿还有差距，突出表现在应用生态上。郭光灿认为，应该发挥好新型举国体制优势，对量子计算产业给予重点支持，政产学研用合力，带动全产业链发展。

　　量子计算将带来翻天覆地的变化

　　《瞭望》：如何通俗理解量子计算？

　　郭光灿：量子世界具备一种经典电子世界所不具备的独特属性，即由量子叠加引发的不确定性——经典电子世界是确定的，其状态要么为0，要么为1；而在量子领域中，状态则是不确定的，既非明确的0也非明确的1，而是处于两者之间的可能性状态。

　　量子在处理数据时因其叠加特性，就可以把0和1叠加起来。具体而言，1块有n个比特的传统芯片，可以同时存储n个数据；而一块拥有n个量子比特的芯片，则能够在同一时刻存储2的n次方个数据。

　　计算过程本质上是对存储数据进行变换，将一组数据转换为另一组数据。传统电子计算机是串行计算，每次操作只能将单一数值转换为另一个数值，这意味着它必须依照顺序进行计算。相反，量子计算机在具有强大的数据存储能力的同时，具备强大的并行计算能力，其n个量子比特能够在同一时间内存储2的n次方个数据，并且通过一次操作即可同时将这2的n次方个数据转换为新的2的n次方个数据。

　　量子计算机强大的并行运算能力为一些对算力需求高的特定行业问题提供了解决方案。比如，在小分子药物设计领域，传统分子对接方法依赖于高性能计算机集群进行大量计算，耗时久且精度低。而量子计算技术有强大的计算能力，能够解决传统小分子药物设计中存在的算力瓶颈，可以显著提高分子对接的速度和准确性，从而开辟一条更高效、更精准的药物筛选新路径。

　　将量子计算机处理特定数据能力与电子计算机相比，相当于电子计算机与算盘的能力相比。

　　人类社会从算盘时代过渡到现在的电子计算机时代，经历了深刻的社会变革。如今，人们的生活已经离不开电脑和智能手机，计算机带给我们的好处有目共睹。如果人类社会进一步迈入量子计算机时代，这将是一场巨大的技术革命。量子计算机有望解决那些目前电子计算机难以应对的重大难题，在各个领域内都将产生深远的影响。

　　《瞭望》：我们国家的量子计算已经达到什么水平，有哪些应用？

　　郭光灿：量子计算的研究与发展大致可以分为三个主要阶段。首先，是基础研究阶段，这一阶段主要侧重于理论探索与学术成果的发表。这些研究成果标志着重要的科学进步，但论文发表并不能称之为真正意义上的量子计算机，它通常局限于实验室环境，用于实验性数据收集或概念验证演示，无法解决复杂或实际的问题。

　　其次，是量子计算机样品开发阶段。在这个阶段，要将实验室中的研究转化为可实际应用的量子计算机，将其部署在云端上处理真实运算任务。

　　最后，是量子计算机的商品化阶段。在此阶段，研究团队将进一步完善样品，将操作系统与处理系统全面集成，使之成为完整的量子计算机，并作为商品推向市场。

　　我们国内的企业本源量子具有自主超导量子计算机制造链，2021年交付了中国首台超导量子计算机整机，使中国成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家。2024年初，第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上线。本源量子把72比特的“本源悟空”上到云端向全世界开放，被120多个国家的用户访问超1200万次，已经算了25万个任务，证明我们的量子计算机是可用的。而且在金融科技、医疗数据、电力行业等方面，我们国家的量子计算机都有一些具体的应用。

本源悟空等五台量子计算机机群（2024年5月摄）   孙超摄

　　机遇和挑战并存

　　《瞭望》：近年来国际、国内量子信息研究情况如何？

　　郭光灿：我们研究启动比较早，国家支持也比较早，我们的量子信息研究在国际上处于第一梯队。第一梯队指我的水平跟你差不多，有的方向我可能比你还好，个别的方向我们落后一点，平均来说，在量子计算领域，国外认同中国的水平。

　　近几年因为技术上有突破，很多量子体系开发非常快。

　　IBM用超导线路做到了1000量子比特，现在别的技术路线，比如用离子阱、光子、原子等，也可以做到不错的水平。整个量子计算机领域在全世界发展非常快，每年都不断有新研究成果出现。量子计算研究已经超越40多年前我们想象的那个理论上非常美好、实际上不知道能不能做出的范畴。可以肯定地说，量子计算机确实像当初预言的那样，会成为人类社会发展不可替代的一种新工具。

　　《瞭望》：相比较世界最前沿的水平，我们的量子计算研究还面临哪些挑战？

　　郭光灿：目前全世界在量子计算第一梯队的国家有中国、美国、加拿大、日本、德国、英国等。美国的量子信息、量子计算是全世界发展最前沿、最快的。我们跟他们有一定的差距，但不是很大。全世界能把量子计算机做成产品并卖出去给大家用的只有几家，我们就是其一。

　　美国能做到最前沿，在于他们比我们早二十年启动研究。美国相关底层技术、工业基础好，人才多，更重要的是，量子计算的生态更完善。IBM已经在全球范围部署了70多台量子计算机。国外的巨头公司正在使用量子计算机尝试解决其所在领域的关键问题，探索提高研发能力和制造能力的新方法。这些公司在应用的过程中将问题反馈给IBM，IBM立即针对用户需求改造量子计算机性能，这样一种循环就是生态。国内还没有建立这样的生态。

　　加速量子计算落地研发和应用

　　《瞭望》：怎样加速量子计算产业落地，推动新质生产力发展？

　　郭光灿：国外发展量子计算的主体是大公司，我国原来也有不少大公司参与，投资了很多钱，但有些放弃了，因为短时间内挣不到收益。我们国家应该发挥好新型举国体制的优势，政府给予强有力的引导和支持。建议按照“两弹一星”的方法来做量子计算，把最高水平的人集中在一起攻关。量子计算是龙头产业，如果得到支撑，产业得到发展，我们整个产业链就会建起来，并形成合力带动上游材料、关键核心零部件等突破。

　　在生态建设方面，要推动国内企业敢于尝试使用先进的量子计算机解决领域内问题，提高生产力。目前，我们正在大力推动建立产业联盟，今年7月，国内首个量子计算产业联盟“本源量子计算产业联盟”扩容，联盟单位总数突破100家。如果量子计算能够进入真实应用场景，遇到问题进行反馈，开发新的功能，整个产业能得到非常好的发展。

　　《瞭望》：在量子计算的基础研究方面我们还应从哪些方面发力？

　　郭光灿：强化基础研究并研发出比现有方案更好、更快的量子计算机至关重要。早期用物理量子比特来编码逻辑比特时，需要大约1000个物理量子比特才能编码出1个逻辑比特。为了构建一台通用量子计算机，理论上需要1000个逻辑比特，由此推算，所需的物理量子比特数量高达100万。如果能够实现每个物理量子比特直接编码成1个逻辑比特，我们将能够迅速达到构建通用量子计算机所需的水平。

　　量子比特数目的增加本身就是一项进展，但这并不是量子计算领域的根本性突破。根本性的突破在于能够显著提高编码效率，减少构建1个逻辑量子比特所需的物理量子比特数量，这正是国外研究者最为关注的核心问题之一。

　　我们不能等待国外的成果，跟随别人的步伐一定落后，必须有自己的原创思想。抓住核心问题再提出自己的原创想法，然后实现。想要超越一定要走这条路，而不是跟随别人的意见，这种竞争迟早会被淘汰。

　　人才培养方面，建议教育部牵头出台我国量子计算教育科研培训等支持政策，支持我国高校使用量子计算机真机培养量子计算人才，建立量子科技人才的中长期培育规划，加强政策倾斜、资金投入。具体而言，可以分以下几步走：一是开展全国首批量子计算科普样板校遴选活动，“政、校、企”三方合力建设“自主量子计算机一体化教研机房”，支持高校使用量子计算机真机培养量子计算人才。二是加大量子计算科普教育的经费投入，设立量子计算教育专项补贴政策。三是统筹布局全国量子计算科普教育。