中國科學院院士潘建偉：期望未來5年實現量子糾錯，再用10-15年構建通用量子計算機

每經記者 張寶蓮    每經編輯 董興生    

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

1024開發者節開幕式主會場 圖片來源：每經記者 張寶蓮 攝

潘建偉表示，經過科學家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年的時間實現量子糾錯，在此基礎上，通過10-15年的努力，構建通用的量子計算機。

量子計算具有強大優越性

當前，中國在量子技術方面有一定引領地位。潘建偉表示，量子信息已經在信息科學、能源科學、生命科學和材料科學等各個方面，都起到了巨大的推動作用。但是在發展的過程中，也面臨一些問題。

他舉例，大數據時代，計算能力需求在急速增長，一般發展計算能力是用加強晶體管的集成度實現。而根據摩爾定律，在單位面積上可集成的晶體管的數目每18個月就可以增長一倍。“目前的晶體管尺寸已經達到4個納米，預計不到10年時間，就會達到亞納米尺寸。到了亞納米尺寸后，量子效應就會開始發生作用。”

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目增加而指數增長。比如，一個比特在經典事件里，手機和電腦上是處于0或者1，但到了量子系統里面就可以屬于0+1，但這個比特到了50個的時候，傳統計算機里面，只能處于2的50次方個狀態的某一個。但到了量子世界里，它就可以處于2的50次方種狀態的相干疊加。如果對一個300萬的大數據進行分解，用目前的萬億次的經典計算機大概需要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：“經過科學家40多年的努力，我們才達到了第一階段。”潘建偉說，第一階段的目標是實現50個粒子左右的相干操縱。比如玻色取樣組合優化，這方面的計算能力能夠超過目前的超級計算機，而這一目標現在已經順利完成。如果未來一旦達到100個粒子，在某些特定計算上，它相當于達到目前全球計算能力總和的100萬倍。

期望10-15年構建通用量子計算機

目前，科學家們正在量子計算領域做些什么？

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生錯誤，這樣需要發展的手段便是量子糾錯，能夠將計算中發生的錯誤消除。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之上，通過10-15年的努力，構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，能夠來操縱數百個乃至數千個量子比特，構建專用的量子計算機，針對傳統超級計算機無法解決的具有重大科學意義的物理問題、化學問題、醫藥問題。鑒于量子計算的優越性，傳統的超級計算機光靠算法改進幾乎不可能超越。

他談到，第一個宣稱實現量子計算優越性的是谷歌公司，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，其他所有指標都優于谷歌。他表示，在求解隨機路線采樣問題上“祖沖之號”比目前的最優經典算法有10萬倍的計算優勢。

此外，中科院團隊利用最新的一種經典計算算法——張量網絡計算，打破了谷歌的量子計算優越性。目前科大的團隊正在用超級計算機驗證張量網絡算法，一旦得到驗證，則意味著谷歌的量子計算優越性在目前最好的算法下并不完全成立。由此可見，經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。但是在應用上有很多實際的意義。例如制藥方面，化學反應經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分解進行破解了。潘建偉稱：“這個領域盡管離我們還稍稍有點遠，但是正在以非?？斓乃俣认蛭覀冏邅怼?rdquo;

“我們希望在未來5年實現量子糾錯，然后來完成數百個乃至數千個量子比特的相干操縱，來解決量子化學、新材料設計和優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分解等方面相關的應用。”