導讀
我們可以確認在量子計算這方面，中國和美國現在是第一集團。
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本影片釋出於2021年2月13日，播放量已超四百萬
精彩呈現：袁 嵐 峰 ：大家好，歡迎進入我們的直播，我是科技袁人袁嵐峰，西瓜影片的傳創作者，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心的副研究員，最近我又增加了倆職務，中國科技大學的科技傳播系的副主任，以及中國科學院跟科大合辦的中國科學院科學傳播研究中心的副主任。今天我來跟我的兩位朋友，兩位專家來向大家介紹一下量子計算。這兩位朋友的我也非常高興介紹他們，一位是北京理工大學物理學院量子技術中心的尹璋琦教授。
尹 璋 琦 ：大家好，我是量子技術研究中心的尹璋琦。我本人研究量子計算的理論，以及量子精密測量，或者是量子物理的一些基本的量子糾纏等等這樣的一些理論問題，以及怎麼樣在實踐中把這個東西給做出來，所以我很想跟做實驗的人有一些密切的合作。 袁 嵐 峰 ：尹璋琦老師本人是做理論的，但是他提出了很多做實驗的設想，比如說他提出了我們可以去探測一個病毒，甚至是一個細菌，甚至更大的微生物，它們的量子效應，一個生物的量子效應，這是非常有意思的設想，但是現在已經有不少實驗組都在向這個方向前進了。 另外一個嘉賓是我以前的科大同事，張文卓博士，張文卓老師以前是在科大潘建偉研究組工作，不久之前他是自己出去創業了，開了兩家創始的企業。張老師向大家介紹一下。 張 文 卓 ：
各位觀眾大家好，我是張文卓，我曾經就是袁老師的同事，在潘建偉院士組裡面從事一些跟量子計算和量子通訊相關的工作，大約一年前我已經出來創業，做的就是跟量子通訊相關，應該具體叫量子加密的產業化，希望把這項技術應用到資訊保安中，讓我們的網際網路變得越來越安全。這是我的創始企業主要做的一件事情。同時我們曾經在實驗室中積累的一些技術，也希望用在工業控制中，能讓我們的國家產業升升級，也能透過我們量子資訊的技術背景得到一定的提升。所以感謝袁老師，藉此機會跟大家直播分享我們這個主題。 袁 嵐 峰 ：張文卓有一個非常著名的網名，叫做九維空間，我們平常見到的三維空間，他就是九維空間。如果你去搜一下九維空間，肯定會搜到好多他的文章。比如說2016年8月16號墨子號量子衛星剛剛發射那天，中科院之聲就發了一篇很長的漫畫，向大家介紹量子通訊的原理，你看科學顧問就是九維空間，張文卓博士。（漫畫丨5分鐘看懂“墨子號”量子衛星的千公里級量子糾纏分發） 所以我認識這兩位，很大程度上也是因為他們做的量子資訊方面的科普，我學到了很多，所以今天也是非常高興，也見到這兩位真正的專家來向大家交流。 今天我們要討論這個主題是量子計算，這個原因大家肯定都非常清楚。就在2020年的12月4號，整個國際科學界有一個非常轟動的新聞，就是中國的量子計算機九章，才取得一個非常重大的突破，它在國際頂級期刊《Science》上面。
論文連結：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770
它那個突破到底說的是什麼呢？學術語言來說對某一個問題，這個問題叫做高斯玻色子取樣，對於這個問題它做得特別特別快，比現有的最強的經典計算機，也就是最強的超級計算機，要快100萬億倍。這是一個以前從來沒有達到過的倍數。
其實以前有一個類似的是在2019年，谷歌有一個量子計算機叫做懸鈴木，它是對另外一個問題叫做隨機線路取樣，那個是第一次超越了當時的最強的超級計算機，但是那個超越的倍數遠遠不如我們現在這個九章能夠做到，它那個超越到底多少倍，其實也說不清楚。因為後來很快經典計算機也進步了，所以你甚至都搞不清它是不是真的超越經典計算機。 但我們九章這個真的是遠遠的超越經典計算機，至少是現在你還沒有看到任何辦法來縮小這個差距。 所以今天我們就先給大家好好介紹一下這個九章到底是什麼，因為它出現之後也有不少所謂質疑的聲音，其實這個質疑的聲音大部分是因為看不懂，所以他們會產生種種奇怪的想法。 所以我們就來討論第一個話題，中國這個量子計算機叫九章，美國那個量子計算機叫做懸鈴木。它們相對比到底怎麼樣？第一個問題就是全世界量子計算的發展的大圖景究竟是怎麼樣的？這方面的玩家到底有誰呢？有中國、美國、日本、歐盟等等，其實全世界所有的主要的這些科技國家，大家都在花大力氣去發展量子計算。 但凡是任何一個對現在的前沿科技有所瞭解的人，你肯定聽過量子計算這個詞，而且你會聽到它是一個顛覆性的技術，大家都承認它是一個未來極其極其關鍵的技術，這到底是個什麼樣的技術？各個國家在這方面的發展態勢怎麼樣？請兩位老師給我們介紹一下。 尹 璋 琦 ：行，我先說兩句。按我的理解，量子計算機的這方面發展從理論上開始至少有40年。但是真正從實驗上的重要的進展，大概有個20多年這樣的一個真正意義上的實驗上的重大投入。
但是在20多年的實驗上的重大投入中，前十幾年大概比如說2010年之前，大部分都還是在實驗室階段，或者是說大學裡面這樣相對比較基礎的階段。到了2010年，特別是2015年之後，以美國的什麼谷歌、IBM，還有像微軟，中國像什麼華為、騰訊、阿里巴巴、百度等等這些大的公司也都投入進來了，進入了量子計算這個領域。所以整個領域在過去，因為這個公司的投入之後，它的資源跟大學不一樣，所以過去這5年、10年這方面的進展就非常的快速。而且已經有一個非常明晰的路線圖，不光是進展很快，而且未來的5年、10年或者15年的路線圖也都比較清晰。投入的話，這5年的投入相比以前都是有10倍甚至幾十倍的這樣的增長，這是我的理解，所以一下子會看到美國谷歌的懸鈴木，包括中國的九章等等一些原型機重要的實驗突破的出現。 袁 嵐 峰 ：這麼說可以說是一個非常有趣的現象。這個量子計算的能力是在指數增長，我們對量子計算的投入也是在指數增長是吧？但是由於指數增長的投入，扶植產生出來一個指數增長的這麼一個能力。 尹 璋 琦 ：反正投入增加了十倍是有的。對。 張 文 卓 ：好的，我想從產業的角度補充兩句。因為我們知道實際上計算機就是我們現在用的經典計算機，它真正的取得一個突破，一個大規模的應用，它是得益於半導體、電晶體到積體電路的出現。
那麼電晶體和積體電路都是物理學家發明的，電晶體是三位得諾貝爾物理學獎的人在貝爾實驗室發明了電晶體之後，然後其中一位他們的組長也就是肖克萊，他回到了加州老家，他就成立了自己的半導體公司，他招募了非常多的非常出色的在全國拿到固體物理學博士學位的年輕人，去來繼續開發他的電晶體。
但是這幾個年輕人跟肖克萊工作上相處得不太愉快。於是其中8位單獨出來成立了快捷半導體，這8位的領頭者叫羅伯特·諾伊斯，還有戈登·摩爾這兩個人，這兩個人就後來又陸續成立了英特爾公司，這是它的創始人。那麼戈登·摩爾就是提出摩爾定律的人，那麼羅伯特·諾伊斯他是跟決策週期的基爾比同樣是分享了積體電路發明人的，但是諾伊斯很可惜，他1990年就去世了，不然的話他也應該跟基爾比一起拿諾貝爾獎。
從經典計算的角度來講，它是器件上源自於我們固體物理學的發現。其實說白了，就是用量子力學研究了半導體的原理，然後才能陸續的去做這些器件，然後才有積體電路，也就是現在我們所說的晶片。 量子計算機既然同時也要延續這個過程。 兩次可以相比較的話，我們可以從更宏觀的一個歷史比較，就是人類三次科技革命，前兩次都是工業革命，第三次是資訊革命，第四次非常有可能就是資訊革命，這個資訊革命現在來看最大的候選者，就是最可能的就是量子資訊作為這次革命的主角，那麼量子計算就是量子資訊中的最大的亮點。自然而然它也是從物理學家的各種發現和創造開始，然後陸續的深入到產業界，然後獲得了現在整個計算機行業的持續的關注。所以這一切發生，它都是有歷史原因的，並不是突如其來的一個東西。這麼多年也就是剛才尹璋琦說的，從概念提出到現在產業繃緊，這都是在我看來應該是一個歷史的必然，只不過是發生的或早或晚，這樣一個區別。 袁 嵐 峰 ：關於各個國家之間現在量子計算的水平的比較，你們兩位能不能現在提供一下？ 尹 璋 琦 ：我覺得從技術積累來說，肯定還是美國的積累，相對來說是更強大一些，從最開始的提出包括最開始一些理論或者說技術的一些積累，基本上都是源自美國，包括比如說是希爾演算法、 Group演算法，以及後面的現在大家用得很多的一些器件，比如說超導的晶片或者是一字鏡的這樣的一些量子計算的的一些技術，源頭幾乎都是在美國的。 但是中國的話，按我理解，中國是跟美國開展這方面的學術合作，比如說中國的學生到美國去學習，或者是到歐洲去學習等等，然後回來之後把這些技術也都能夠綜合起來，建立了自己獨立的這樣的實驗室。所以這方面按我的理解應該是緊跟著美國在做這方面。 從技術這個層面來說，像歐洲和日本，相對在量子計算這麼一個方面來說，它都是有短板，或者說落後的比較遠一點。從它的技術發展來說，比如說日本很典型，他一度在超導量子計算中，他大概是有蠻大的優勢的，大概在十幾二十年前，但是他在黎明曙光到來之前，在2010年左右，他們國內最頂尖的一個超導量子計算的實驗組給解散了，導致他們的這方面的積累直接就此就付諸東流，那些人全都散了。是的。 袁 嵐 峰 ： 這些人有沒有散到中國來，我們這邊有沒有請來幾個人？ 尹 璋 琦 ：當時是有一些中國的老師，我知道是在日本學習的，後來也回來了。但是他們那些組散了之後，這些老師等了幾年，比如說2015年、2016年之後，日本人覺得這個方向太重要，又把這個組裡面留在日本的人，他又重新把他組織起來，但是就一下子這幾年的功夫咱就差遠了。 袁 嵐 峰 ： 這是一個路遙知馬力，日久見人心，一個國家在科技上的投入，如果沒有韌勁，這個是要吃大虧的。 尹 璋 琦 ：對的，是的。 張 文 卓 ：沒錯。從我一個觀點來看，美國它做的最領先的是超導量子計算的方案。 這個超導方案因為本身美國在半導體工藝上一直處於世界領先的一個狀態，無論是英特爾，包括其他這些等等的企業，無論設計能力還是製造能力上，它能把住整個半導體的從材料到工藝的命脈。
其實超導方案他可以研習很多半導體未加工的工藝，所以一方面是超導這個方案，在學術界曾經一度認為它是由於其他各個方案來實現量子計算機，因為它原則上可以做到可擴充套件性，比其他的方案都好。 另一方面是美國這方面的一個技術積累，能讓他們更容易在這個方向取得優勢、取得突破。 另一方面，中國的量子計算機實際上這個九章，這當然了，是我原來同事，也是在潘建偉院士組裡的陸朝陽教授，他領導的小組做出了這一臺量子計算機。
因為陸老師團隊就是從陸老師的學生時代一直到他帶學生，他作為教授整個是跨越了10多年，接近20年的時光，這段時間一直在多光子這個領域處於特別強的地位。所以目前這個九章它用的完全是一個光子的方案，是區別於超導方案的，也就是用的資訊的載體不同，超導方案用的實際上還是電子，是微電流。光學方案用的就是光子，自然而然因為一直處於領先，處於一個技術的高出其他的研究組一級。所以他們最先做出了這麼多位元的光子的玻色取樣演算法，透過這個實驗裝置，這是情理之中的，也是一直意料之中的事情。 這個方案在我來看，它可能還有另外一個意義，雖然我們半導體工藝上現在的確實話實說，確實還落後於美國這麼一塊，但是如果光子方案在量子計算機的競爭中有它自己獨到的地方，有可能在競爭中取得起碼是某些演算法的一些優勢的話，這個方面從基本的器件的程度上，我們就跟美國之間不會有差異了，因為這樣看都是從零開始，開始光子晶片這個東西，當然很多年前IBM有過用光學方法做經典計算機，做邏輯文，但是因為光的干涉不可能把線路做得很小，所以它在跟電子、積體電路競爭中就失敗了，一直沒有用開。
但是如果光量子計算將來有這個方向，反向來驅動大家去做光學上的晶片，把它變成一個產業，實際上這個地方中國確實有一個同一起跑線的機會去跟美國競爭。這方面覺得也是九章另外的一個意義。當然我是純從產業鏈的角度來分析這個問題。 尹 璋 琦 ：對，我覺得文卓說的蠻對的，確實這方面我們這邊有一個獨門的絕招，國外的都比不過。當然這方面，我的理解是從光學做量子計算，可能確實還要邁過好幾個非常重要的門檻才行。 但是它的好處也確實非常明顯，因為用光來做量子計算，除了接收光子測量這一端之外，中間的運算過程基本上都是不需要特別嚴苛的，比如說低溫、真空，這些環境都是不需要的。 而我們其他的像超導的計算，至少要真空，甚至還得要超低溫等等這些特別嚴苛的一些技術條件，對於它的實際應用也還是有很大的限制的。所以如果光量子計算能夠在某些場景下能用起來，我覺得確實是應用點上非常光明的一條路。從這個角度來說，它不需要低溫，也不需要真空。
張 文 卓 ：對，相對來說會更節省資源。 袁 嵐 峰 ： 剛才幾位老師還提到了，量子計算有不同的技術路線，就大家提到了超導，就是美國的懸鈴木，它用的就是超導技術路線。 我們中國主攻的光學，這也是一條路線。 潘建偉研究組在過去的這10多年來，一直是世界上在光學方向上的整個世界的領先者，你會發現他們把光學到處有，不但是用來處理量子計算，也做用來做量子通訊。 當然了通訊天然的肯定是用光更方便，所以他們用光學路線來做量子計算，也有一個天然的好處，就是說它更加容易跟量子通訊對接。 這也是尹老師在他專業的評論裡面指出來的。它不再是常溫常壓就可以用，而且它非常容易就跟量子通訊網路無縫融合。 但是除了超導和光之外，還有其他技術路線，比方說冷原子，比方說離子阱，比方說核磁共振，比方說金剛石色心。 你如果是一個專業人士，你會發現其實每一條技術線都在努力的刷自己存在感，它不斷的更新自己記錄。現在真正突破了第一個臨界線，實現的量子優越性，超越了最強的計算機的，目前只有這倆，就是超導和光。 但是可能過不了多久，我們就會看到其他的那些技術路線也在紛紛的撞線了。比方說過不了多久，你會聽到說離子阱我們也突破了，又過一陣你會聽到冷原子我們也突破了，又過一陣又聽到金剛石色心也突破了，這都是有可能的。每一個技術路線它都會必經之路，它必須要先經過這一步的。
所以量子計算它是一個非常有趣的狀態，但是處在一個百舸爭流，每一條技術路線它都在努力向前進。所以並不是說美國就把自己固定在超導上了，中國就把自己固定在光學上了，並不是這樣，而是說所有人都在嘗試所有技術路線。比如說單單一個潘建偉的研究組，他裡面就是既有人做光學的，也有人做超導。 比方說這支張文卓老師同事朱曉波教授，他就是在做超導的，他們的目標就是在最近一段時間裡面，他們可能就要實現60個量子位元的超導的量子計算，就要達到跟谷歌相同的水平，比它們稍微再高一點，他們也很快就要撞線了。
所以你很快就會看到類似這樣的新聞。 所以這是一個非常有趣的狀態，但是很明顯現在最先撞線的兩個就是中國和美國。所以我們可以確認在量子計算這方面，中國和美國現在是第一集團，而且如果單論對於某一個問題的加速的倍數的話，肯定是“九章”是加速最多的，因為它一下加速了100萬億倍，這是以前從來沒有做到過的，在以前是連“1”都沒有達到。
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背景簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，中國科學技術大學科技傳播系副主任，中國科學院科學傳播研究中心副主任，科技與戰略風雲學會會長，“科技袁人”節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，中國科普作家協會理事，入選“典贊·2018科普中國”十大科學傳播人物，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。