中国科学院院士谈量子计算：解决计算机无法解决的难题

原创 一起学量子的 浙江大学

“量子计算机不是替代现在的计算机，而是要解决现在的计算机无法解决的难题。”

“如果能够把科学、技术、工程做成艺术品（ART），那诺贝尔奖就成为了副产品，爱给不给。”……

在《求是大讲堂》通识课第五课讲课现场，中国科学院院士、南方科技大学讲席教授俞大鹏用深入浅出的语言和丰富的前沿案例，与同学们分享超导量子计算的最新进展，畅谈科学研究的心得和体会。

打破刻板印象

量子科学没那么难懂

“大道至简，经典力学和量子力学其实是相辅相成的。它们分别从不同的尺度去描述不同层次的运动规律。描述宏观东西运动规律的科学就是经典力学，描述组成宇宙万物基本构造单元-宇宙基本粒子如电子、光子等亚原子运动规律的科学就是量子力学。”

课程开始，俞大鹏开门见山中国科学院院士谈量子计算：解决计算机无法解决的难题，力图打破大多数人对量子科学的神秘感错觉，“也许大家更加熟悉的是牛顿的万有引力定律。但其实，牛顿发明的光谱学在某种程度上也促进了宇宙学、量子力学的建立。”原子作为宏观世界和微观世界的边界，构建起了经典力学和量子力学的桥梁。

根据量子理论，量子是最小的、不可再分割的能量单位，我们所熟悉的电子、光子墨子量子奖，其实都是量子的不同形态。在微观世界，量子有着与宏观世界截然不同的不确定性、波动性物理原则，最具代表性的特点就是“量子叠加” “量子干涉”和“量子纠缠”。微观粒子遵循量子力学所严格描述的数学体系，迄今没有例外。

基于量子力学，人们对宇宙的起源已经有了较为清晰的认知：宇宙中存在电子、光子、夸克和胶子四种基本宇宙粒子和强力、弱力、电磁力和引力四种相互作用力。这四种粒子在四种相互作用下形成了宇宙万物。

“老子所说的‘道生一、一生二，二生三、三生万物’，这个‘道’指的就是相互作用力。”俞大鹏解释道。

“我之前一直觉得量子力学遥不可及，离我们的生活很遥远。但是正如俞大鹏院士所说，经典力学和量子力学是相辅相成、密不可分的，特别是在当下信息化、数字化的时代，量子力学的重要性不言而喻。以后我也会多多关注、支持该领域的发展！”2022级法学专业本科生徐晨豪说。

深度揭秘

量子革命带来深刻变革

在讲解中，俞大鹏细数量子科技的发展脉络。“驱动量子科技发展的第一大驱动力就是需求-算力驱动”。

当下，以数字电子计算机支撑的算力已经发展到了天花版，因为随集成度越来越高、晶体管器件尺寸越来越小，量子隧穿等量子效应终将会导致计算机失效；另一方面，全世界的大数据信息量爆炸式增长，数据量每2年翻一番，数字时代呼唤一种颠覆性算力去处理无序大规模数据。因此，量子计算机应运而生，它基于量子叠加、量子纠缠墨子量子奖，尤其是量子干涉等优质资源，从理论极限上讲，有可能为我们提供一种无与伦比的颠覆性算力支撑。

比如最近的“九章”3号基于155个光量子比特量子芯片，它在解决一个非常复杂的统计数学采样问题——高斯玻色采样时仅用百万分之一秒时间，要取得同样精度的高复杂度样本，目前世界超算第一名“前沿”要花费200亿年的时间。

九章3号原理图

第二个驱动力是量子力学本身发展的需要。贝尔不等式的失效证明了量子纠缠的存在，将量子纠缠推向了应用。因此，2022年度的诺贝尔物理奖授予了证明量子纠缠真实存在并可以应用于量子保密通讯和量子计算的三位先驱。“科学本身需要发展墨子量子奖，用宏观定理难以解释微观现象。因而，必须要对量子力学进行进一步深入的探索。”俞大鹏说。

第三个驱动力就是我们人类本身能力的提升。现在原子级微纳加工能力日益炉火纯青，我们可以精确地对原子和光子的量子态进行操纵、轻而易举地实现极低温、强磁场、弱信号等极端条件。“第二次量子革命的战鼓已敲响。”《自然》杂志这样评论，一系列量子科技能力的提升让第二次量子技术革命进入加速期，也让我们有能力做以前想都不敢想的事情、实现量子计算梦想。

展望未来，量子科技在各大领域都显示出非凡的应用能力：量子计算有望为药物研发、能源勘探、金融分析、气象预报等大规模计算提供全新方案；量子测量发挥测量精度、灵敏度优势，有望在科研、医疗、能源、灾害预防等领域大显身手；量子通信融合量子计算技术，构成高速、安全的“量子互联网”，与人工智能、区块链等技术相结合，可为人类生活增添无限可能。

深情寄语青年

做原始创新主力军

回望历史中国科学院院士谈量子计算：解决计算机无法解决的难题，人们惊喜地发现，从量子理论诞生到正式建立，整个量子力学大厦的建立都是由一群年轻人完成的：26岁的爱因斯坦发表了多篇揭示光电效应的划时代论文，大家熟知的波粒二象性、E=mc2都来源于此；不到30岁的尼尔斯·玻尔提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学；26岁的保罗·狄拉克把相对论引进量子力学，建立了相对论形式的狄拉克方程……平均年龄不到30岁的他们，勇于向权威挑战、向领域空白进军。

“现在有很多跟班式的研究，我们应该鼓励一批人把冷板凳坐热，做好原始创新，把当下没用的技术做到极致。”俞大鹏说。

近年来，我国在量子科技上也取得了一系列重要突破：发射世界首颗量子实验卫星“墨子号”，实现千里纠缠、星地传密、隐形传态三大科学目标；开通世界首条量子保密通信干线“京沪干线”，实现世界首次洲际量子保密通信；发展高稳定性多通道路径干涉技术，世界首次实现高维度量子隐形传态……俞大鹏和团队也着力推动量子科技发展，使深圳量子科技力量从无到有，逐步建设成为国家量子科技核心战略力量的南方支柱。

在西藏阿里观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验（2016年12月10日摄，合成照片）。新华社记者 金立旺 摄

“任何领域的工作都有三个境界：一是保持饭碗，每天按时上下班；二是融入工作本身，使其变成一种享受；三是如果能够把科学、技术、工程做成艺术品（ART），那诺贝尔奖就成为了‘副产品’，爱给不给。选择自己热爱的方向，做到极致，任何人都会成功。”俞大鹏这样勉励在座青年学生。

“俞大鹏院士简化复杂的技术原理，减少生涩的专业术语，将量子技术在现代生活中的广泛应用和重要作用一一拆解，通俗易懂地阐明了量子计算对社会进步和人类文明的助推作用，让我这个文科生都收获满满！此外，俞大鹏院士讲述的就业三重境界，我也将在接下来的求知路上细细感知。”2023级本科生余佳欣说。

“俞大鹏院士举的‘九章三号花百万分之一秒解决美国最先进超级计算机需要两百亿年才能解决的问题’的例子，让我们看到了量子计算推动人类文明进步的巨大优势，而后面举的‘高速运行中列车对撞变成炸弹’的例子也同样令人感触颇深。也许量子计算现在用处不大，但只有拥有它，才能抵挡住同样来自量子计算的风险，守住民族的尊严，守住千千万万人安稳的生活。”一位物理学院的学生说。

文字记者：周亦颖 | 浙江大学融媒体中心学生记者团 徐晨豪

摄影、视频：高兴就好

参考资料：南方科技大学理学院《发文！俞大鹏院士课题组联合团队发文展示量子纠错优势》、安徽省科技厅《科普丨量子是什么？从“微观世界规律”到人类“新物理革命”》