朱曉波教授：沒(méi)有量子優(yōu)越性，就沒(méi)有提供真正算力的任何可能

6月4日消息 “量子優(yōu)越性是指在一個(gè)特定問(wèn)題上超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。未實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，則任何計(jì)算任務(wù)都可被經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬，談不上提供真正的算力。”

第七屆數(shù)字中國(guó)建設(shè)峰會(huì)期間舉辦的中國(guó)電信智算云生態(tài)大會(huì)·量子信息分論壇上，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)總師朱曉波發(fā)表主旨演講時(shí)強(qiáng)調(diào)。

近年來(lái)，量子技術(shù)取得重大突破，已成為典型的新質(zhì)生產(chǎn)力，今年政府工作報(bào)告明確提出，“制定未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，開(kāi)辟量子技術(shù)新賽道。”在這一背景下，本次量子信息論壇集聚了產(chǎn)學(xué)研各界的專家分享，并吸引了來(lái)自各個(gè)行業(yè)的代表出席，以把握量子技術(shù)帶來(lái)的大變革、大機(jī)遇。

如何打造實(shí)用量子計(jì)算機(jī)？

朱曉波介紹，量子信息發(fā)展已久，最早可以追溯到19世紀(jì)末期普朗克提出量子論，20世紀(jì)初量子力學(xué)建立，帶來(lái)了第一次量子革命，為量子信息發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，人類可以對(duì)單個(gè)粒子進(jìn)行有效調(diào)控和測(cè)試，創(chuàng)造了全新的量子信息產(chǎn)業(yè)：量子通信、量子計(jì)算、量子精密測(cè)量等。

“其中量子通信最為成熟，已開(kāi)始落地應(yīng)用，但量子計(jì)算還處在原理驗(yàn)證和關(guān)鍵技術(shù)突破階段。”朱曉波指出，不同于經(jīng)典計(jì)算，量子計(jì)算基于量子比特，隨著比特?cái)?shù)增加，量子計(jì)算具備指數(shù)級(jí)的加速計(jì)算能力。要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，就需要去操控能量不可分的最小單元，因而如何制造出實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)，成為業(yè)界面臨的最大挑戰(zhàn)。“一旦實(shí)現(xiàn)，對(duì)國(guó)家安全、對(duì)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，都將是革命性的。”

如何打造一臺(tái)實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)？有兩個(gè)必要條件：一是降低比特操控錯(cuò)誤率；二是增加量子比特?cái)?shù)目，兩者必須同步進(jìn)行。基于這兩個(gè)指標(biāo)，朱曉波分別介紹了量子計(jì)算發(fā)展的三個(gè)階段：

第一個(gè)階段，可經(jīng)典模擬階段，這個(gè)階段量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行的計(jì)算任務(wù)都可以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬；而以實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”或稱“量子稱霸”為標(biāo)志，即針對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，就進(jìn)入第二個(gè)階段，即帶錯(cuò)誤的中等規(guī)模近期應(yīng)用階段，這個(gè)階段比特?cái)?shù)達(dá)到一百到數(shù)千，同時(shí)做到較低的比特門(mén)錯(cuò)誤率，可以實(shí)現(xiàn)具有特定領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值的專用量子計(jì)算，可在組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面發(fā)揮效用；第三個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。

“近幾年來(lái)，國(guó)家和業(yè)界對(duì)量子計(jì)算研究進(jìn)行了大量投入。”朱曉波如是說(shuō)。全球有4臺(tái)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，分別是美國(guó)谷歌的懸鈴木（Sycamore）、中國(guó)的光量子計(jì)算機(jī)“九章”和超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之二號(hào)”、加拿大Xanadu的北極光（Borealis）。中國(guó)是目前世界上唯一在超導(dǎo)量子和光量子兩種物理技術(shù)路線上都實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)展

量子計(jì)算機(jī)有多條技術(shù)路線，包括超導(dǎo)量子比特、超冷原子、光量子、離子阱、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、拓?fù)淞孔佑?jì)算、金剛石N-V色心等。這些技術(shù)路線各有優(yōu)勢(shì)，而超導(dǎo)技術(shù)路線的芯片制備與集成電路工藝高度一致，所以具備良好的可擴(kuò)展性，同時(shí)基于無(wú)損耗的超導(dǎo)電路構(gòu)建的宏觀人造原子體系又兼顧了良好的環(huán)境隔離性與控制靈敏度。基于這些優(yōu)勢(shì)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)目前在眾多技術(shù)路線的發(fā)展中已經(jīng)走在前列，被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)路線之一。

作為“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)總師，朱曉波重點(diǎn)講解了超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。他介紹了超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)幾大組成部分：一是量子處理器和實(shí)現(xiàn)極低溫極低噪聲的低溫組件，要操控量子，必須將其放在極低溫（20 mK,約零下273.13℃）環(huán)境；二是室溫區(qū)電子學(xué)操控系統(tǒng)；三是操控軟件系統(tǒng)。最后是量子計(jì)算云平臺(tái)，這是做大做強(qiáng)量子計(jì)算生態(tài)的關(guān)鍵，要與量子硬件同步發(fā)展、互相促進(jìn)。

“一個(gè)超導(dǎo)量子比特翻轉(zhuǎn)一次的能量，大概是蝴蝶扇動(dòng)一下能量的10億億分之一。也就是操控10億億分之一的翻轉(zhuǎn)，同時(shí)精度還要達(dá)到萬(wàn)分之一。”朱曉波感嘆。在研究團(tuán)隊(duì)的努力下，中科大將每個(gè)量子比特錯(cuò)誤率降低到了約千分之一的水平。同時(shí)，中科大還自主研發(fā)了稀釋制冷機(jī)、電子學(xué)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵組件，解決了被國(guó)外“卡脖子”的難題，甚至相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始拓展海外市場(chǎng)。

“我們要實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，我們要爭(zhēng)口氣。谷歌懸鈴木率先實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，但我們的‘祖沖之二號(hào)’在單比特門(mén)保真度、雙比特門(mén)保真度、讀取保真度等重要標(biāo)定量子處理器基本性能的指標(biāo)參數(shù)上都明顯優(yōu)于谷歌懸鈴木。”朱曉波再度強(qiáng)調(diào)，“為了保持我們?cè)诔瑢?dǎo)體系量子計(jì)算的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，我們會(huì)持續(xù)做更深度的量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)，否則所有的東西都是鏡花水月。同時(shí)與谷歌等國(guó)際量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)持續(xù)存在。”

“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)扮演要角

在演講中，朱曉波重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了量子計(jì)算云平臺(tái)的價(jià)值。他認(rèn)為，超量融合的量子計(jì)算云平臺(tái)已經(jīng)成為量子計(jì)算走向?qū)嵱没闹髁餍问?。量子?jì)算想要成功，需要真正落地到行業(yè)中去探索應(yīng)用，同時(shí)反過(guò)來(lái)啟發(fā)研究者的靈感，打造更加易用的量子計(jì)算開(kāi)發(fā)者工具體系。

“即使現(xiàn)階段的量子計(jì)算機(jī)還不具備解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的能力，也必須花大力氣建設(shè)好云平臺(tái)，云服務(wù)是量子計(jì)算未來(lái)應(yīng)用的主流模式。量子計(jì)算機(jī)硬件一旦取得重大突破，必將迸發(fā)出巨大的能量。”

中國(guó)電信在這一領(lǐng)域進(jìn)行了重要的前瞻性布局。中電信量子集團(tuán)作為中國(guó)電信全資子公司，承擔(dān)了中國(guó)電信發(fā)展量子信息產(chǎn)業(yè)的使命。

2023年11月，在廣州召開(kāi)的2023數(shù)字科技生態(tài)大會(huì)上，中國(guó)電信正式發(fā)布了 “天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)。“天衍”量子計(jì)算云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了“國(guó)云”天翼云超算能力和176量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算能力的融合，是具有“量子優(yōu)越性”能力的超量融合云平臺(tái)。

半年之后，在本次論壇上，中電信量子集團(tuán)在內(nèi)4家合作伙伴聯(lián)合發(fā)布了“四算融合試驗(yàn)場(chǎng)”，進(jìn)一步深化超量融合應(yīng)用技術(shù)發(fā)展。

“我們將堅(jiān)定量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，持續(xù)推動(dòng)量子科技基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)成果向多行業(yè)領(lǐng)域的融合創(chuàng)新應(yīng)用。發(fā)揮央企在建設(shè)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建新發(fā)展格局中的科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)控制和安全支撐作用，為推動(dòng)量子基礎(chǔ)研究，多行業(yè)的融合創(chuàng)新發(fā)展，打造新質(zhì)生產(chǎn)力而不懈努力。”中國(guó)電信副總經(jīng)理唐珂在會(huì)上表態(tài)。

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