陸朝陽：量子計算“升級打怪”需三步走

文／本刊記者 史 詩

讓許多人不明覺厲的量子，其實是一個物理概念。

“量子即是離散變化的物質和能量最基本的單元。今天的筆記本電腦或者手機等計算的基本單元是1個比特，當有多個比特同時存在時，經過一個函數可將它們同時處理，再加上一些巧妙的算法設計，就可以得到非常快的加速。”

7月6日，在由國際理論物理中心（亞太地區）、中國科學院自然科學史研究所、中國科學院理論物理研究所和中國科學院青年創新促進會數理分會聯合舉辦的“2021量子科技系列報告”第二講上，中國科學技術大學教授陸朝陽將量子計算類比于保齡球游戲，講述了量子世界種種讓人驚呼神奇的現象。

神秘的量子世界

“當一個妹子叫你滾的時候，你永遠不知道她真正的意思是叫你滾還是叫你過來抱緊？此時的你應該處于一種又抱又滾的量子力學狀態。”這是網友對薛定諤提出的假想實驗來說明量子力學預言的奇怪現象的形象描述。

陸朝陽表示，量子世界不同于經典世界，量子力學的一切實驗結果都表明，量子世界允許一個物體同時存在于多種狀態。這可以理解為，在量子世界，允許一個粒子同時在北京和上海兩個地方。

而量子計算主要就是依賴于這個特性，其計算的基本單元是0和1，這兩種狀態就是同時存在的。

美國物理學家費曼（Richard Feynman）在20世紀80年代提出了量子計算的設想，描述了一種基于量子疊加原理的計算，在特定問題方面能指數級提高計算的速度。當量子計算機能解決某個經典計算機所無能為力的問題時，即達到了所謂的“量子優越性”。它既是量子計算發展的重要里程碑，也是邁向通用量子計算機的基礎。

中國量子通信“直道超車”

陸朝陽同時提到了量子世界一個奇特的現象：量子的狀態和其是否被測量相關。根據量子不可克隆原理和量子不可分割性質，在量子通訊過程中的竊聽行為必然被發現。

也就是說，一旦有人竊聽量子通信的通道，不可避免地會擾動、改變量子的狀態，從而使通信雙方察覺，在物理原理上提升了通信的安全性。因此，當一次一密，完全隨機的情況下，加密內容是不可被破譯的。

在安全的基礎上，為了實現更遠距離的通信，2016年8月，我國發射了世界上第一顆量子科學實驗衛星，實現了千公里的量子通信。陸朝陽曾說：“我們一直在做的不是彎道超車，而是直道超車。”

對此，陸朝陽特別談到對原創性貢獻的推崇。“我在浙江東陽中學的學長，后來擔任中國科學技術大學校長的嚴濟慈先生曾說過，‘要做教科書上的科學家而不是報紙上的科學家’。”

也就是基于量子科學實驗衛星和“京滬干線”光纖量子保密通信技術驗證與應用示范工程，我們國家首次描繪了天地一體化的量子通信網絡的藍圖。

量子計算剛剛走出基礎研究階段

不同于“第一次量子革命”對量子規律的認識和其在宏觀世界的應用，以量子信息技術為主導的“第二次量子革命”，引發全球廣泛關注。

在計算機芯片集成度不斷提高，計算速度越來越快，尺寸越來越小，已經逼近物理極限的今天，我們該如何提高計算機的運算速度？

量子科技無疑是新的解決之道。

但陸朝陽指出，自2015年-2016年左右開始，人們進入一個過度樂觀的狀態。隨著一些大公司的介入，經常出現一些“標題黨”式新聞。其實，量子計算剛剛從基礎研究邁入技術積存和集中攻關的階段，為了讓量子計算回到健康的發展軌道，中國科學技術大學團隊提出“三步走”的路線圖。

第一步，量子優越性（量子霸權）。量子霸權是一個學術定義，指能夠造出一臺在某個問題上超越經典計算機能力的量子計算機。

第二步，實用量子模擬機。未來的5—10年，我們希望實現一些有實用價值的，比如可以應用于材料設計、組合優化、大數據等的模擬機。

第三步，通用量子計算機。這是最終、最困難的目標。

“量子優越性”不是一蹴而就

2016年7月31日，美國發布量子霸權研究計劃，同年8月，谷歌緊接著也發表了量子優越性方面的研究計劃。2019年10月，谷歌推出53個量子比特的“懸鈴木”量子計算機，認為用200秒就可以解決超算一萬年的事情，從而宣布實現“量子霸權”。

2020年12月，潘建偉、陸朝陽等人自主研制的76個光子的量子計算原型機“九章”問世，實驗顯示，當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，“九章”需200秒，而目前世界最快的超級計算機“富岳”需6億年。等效來看，“九章”的計算速度比“富岳”快100萬億倍，比“懸鈴木”快100億倍，并彌補了“懸鈴木”依賴樣本數量的技術漏洞。

“量子優越性不是一蹴而就的工作，而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭。最終，量子并行性會產生經典計算機望塵莫及的算力。”陸朝陽強調。