中國科學院院士郭光燦：量子信息與計算的未來

至頂網網絡頻道 06月16日 北京： 2017年6月16日，由中國電子學會主辦、至頂網等協辦的第九屆中國雲計算大會進入第三日，中國科學院院士郭光燦出席本次大會，並做了《量子信息與計算的未來》的主題演講。

郭光燦指出，量子計算是量子信息領域的主流研究方向。量子計算機的研製已經到了關鍵時刻。多年來美國政府實施了完整的量子計算研究計劃（包括硬件、軟件和材料），現在已經十分見效，其標誌不僅是研究水平領先於國際，更重要的是吸引國內各大公司（IBM, Google等）參與到研究行列，這無疑將會更有效地推進量子計算機的研製和應用。

以下是郭光燦演講實錄：（內容根據現場速記整理，未經發言嘉賓確認，僅供參考，謝絕轉載）

郭光燦：很高興到這會上作一場報告，這是一個未來的雲計算的另外平臺，所以還在研製當中。所以我今天報告的題目叫量子計算機。想講這幾個問題：第一個量子計算機是怎麼誕生的，第二個量子計算的基本原理，第三個量子研製當中遇到的最大困難是什麼。第四個介紹一下發展狀況、現在究竟做到什麼程度，第五個結論。

實際上計算機的運算處理能力越來越大，大到什麼地步呢？大到現在的計算機處理能力相當於老鼠的大腦數據處理能力，但是還沒有達到人的大腦處理能力。這就是摩爾定律的一個曲線，中間是80年代有物理學家在摩爾定律輝煌發展的過程當中就提出一個物理問題，這個問題叫做摩爾定律有沒有終結會不會死掉，還是這麼永遠發展下去，這當然是一個物理問題。有物理學家就研究，研究的結論是說摩爾定律一定會終結。摩爾定律的技術基礎是不斷提高電子芯片的集成度。這個技術基礎受到兩個主要物理限制：

1. 芯片的發熱（巨大耗能），甚至燒穿；

2. 終極的運算單元是單電子晶體管，量子效應起主要作用。

芯片的集成度來提高運算速度，晶體管小到就是像一個電子不能再小的，一個電子就不再遵從經典物理，不再遵從摩爾定律它遵從量力學。這個量子效應就會阻礙芯片繼續下去，讓芯片不可能正常運行。

這兩個原因物理學家得出結論摩爾定律一定會終結，但是摩爾定律還在發展，所以微電子計算機根本認為物理學家是杞人憂天不會發生，但是物理學家繼續提第二個問題，一旦這摩爾定律終結了，如果人類還想提高運算速度還有什麼辦法，他們就想出量子計算機。所以量子計算機是這樣誕生的。

當然到了現在摩爾定律是不是終結了？摩爾定律已經終結了。微電子的發展方向是朝著低能耗專用性發展。所以這一步提高當然還有各種辦法的延長摩爾定律的壽命但是一定會終結。於是量子計算機就成為大家很關注一個新的研究方向，那實際上物理學家上個世紀80年代已經開始在基礎研究。

第一個提出量子計算機的概念是費曼，英國物理學家D. Deutsch提出“量子圖靈機”的概念。“量子圖靈機”可等效為量子電路模型。量子計算機基本的工作原理就是量子的特性來開發出電子計算機做不到的功能。什麼是量子特性，就是量子態的疊加，量子非局域性，量子不可克隆性。我們量子所有的運動狀態去確定，一個時間只有一種狀態，我們的信息去確定的要麼0、要麼1。量子世界的一個特點是概率性不確定的，這一些量子世界跟經典最大的區別。所以在量子世界裡你說0或者1，經典說要麼0要麼1，兩個選一個。量子說不，我不確定，所以我兩個一塊選。所以量子的態取在什麼狀態取在0和1這個態，疊加以後那個態，這就是量子的特點。這個量子態我們就叫量子比特。量子信息或者量子計算機就拿這疊加的0和1同時存在的這狀態，作為整體，作為信息的處理單元，我們叫做量子比特。

量子計算機也是如此，比如說我們有一個存儲器，N個處理器，電子計算機存儲器，一個時間只存一個數，它是確定的。量子存儲器它是不確定，一個時間可以存多少個數，2個的N次方的數，它的數據同時存這麼多，因為它不確定帶來的好處。計算是什麼呢？計算就是我們編完程以後我們操作的時候把存儲在數據裡面一個數據操作到另一個數據，一步一步操作。電子計算機因為它存儲器從一個數，所以我操作一次就把這個數變成另外一個新的數，再操作一次再變一個數，我們編程解完了所有運算完了把函數算出來，我們的過程就是一步一步算，這個叫做串行運算，所以電子計算機是串行運算。

電子計算機量子存儲器可以存2個的N次方數據，我對它操作一次，可以把2的N次方數據變成另外的2的N次方數據，所以我操作一次同時處理這麼多數據這叫做並行運算。所以量子計算機跟經典計算機最大的不同利用不確定性導致一個新的性能叫做並行運算。你說我電子計算機也有並行，對的那是硬件並行，就是多個CPU的並行。

而量子並行一個CPU本身就內在的並行，這是最大的不同。比如說一個量子計算機N，就是處理器的數目或者量子比特的數目，假設是300個，它的並行能力如果拿電子計算機多個CPU多個並行相當要多少個CPU，所要CPU的數目跟整個已做的原子數還要多，所以你根本做不到，這就是量子計算機它的運算能力是沒法超越的內在原因。

所以我們對N個量子存儲器做一次操作它的效果相當於對經典存儲器做2的N次方，這是量子計算機最大的並行運算能力，如果做合適的量子算法，這個能力就可以大大的提高計算機運算速度，這樣在電子計算機處理慢量子處理快。最典型的一個例子就是Shor算法，提出一個Shor算法非常有名。他舉一個例子說大數分成兩個術數，因為這個問題是很敏感的問題，是現在公開密鑰安全性的基礎。如果大數能夠分成兩個術數密鑰就破了，如果分不出來那就安全的。大數運算分數實際上是一個很難的問題。所以在電子計算機的領域裡穿行運算的模式裡是很難分的，1994天我們一個大數是129位，要分成兩個術數全世界合作用了1600臺工作站就是硬件並行，多個CPU的並行花了8個月把兩個數分出來。所以大數分成兩個術數電子計算機協調能做，就是代價太大，需要時間太長。但是還能分，但是如果把N變成500位這個數，從129變成500位，同樣運算能力要花多長時間，所花的時間比宇宙的年齡還要長，所以用這麼長的時間把密鑰破了就沒有價值，這可以破但是代價太大，你計算機運行太高數拉的長一點你根本跟不上我。但是Shor說我的算法出來你用我的算法，用我的量子計算機一秒鐘我就能把129位破了，但是我要500位加到1000位Shor說沒關係，電子計算所需要的時間是指數上升，而我需要的多項是上升，多項是在計算裡可以解，所以一旦量子計算機做出來，不管是大數公開的密鑰所有的公開必要都要被迫。Shor說這事的時候，大家還不贊同。為什麼呢？大家還不知道量子計算機能不能做出來，所以大家不著急，公開密鑰照用，但是量子計算機是引起大家的關注了。大是最近就不同了，最近大家已經看到量子計算機有可能在不長的時間裡做出來，於是美國政府就決定要逐步的廢除公開密鑰的使用，一旦要做出來就是無密可保，所以他們提倡一個新的研究方向就是讓數學家們尋找一個能夠對抗量子的計算機攻擊的新的公開密鑰這已經搞了十年，到現在還沒搞出來，但是一旦搞出來，我相信數學家很聰明，一旦搞出來我們的保密通訊或者信息的保密就有新的。這個Shor就舉了一個例子，量子計算機實際上是一個人類可以掌握的最強大的運算能力的工具，而破密碼只是一個簡單的例子，有這樣的工具就可以做非常多想象不到的事。

所以我要說的是量子計算機的運算能力以及並行運算它的能力和電子計算機能力相比，相當於電子計算機的運算能力和算盤一樣。所以人類從算盤的時代到現在的電子計算機時代整個社會發生天翻地覆的變化大家都感受到了。但是你想想如果從電子計算機時代再變成量子計算機時代，人類將會有另外一個天翻地覆的變化。所以大家說量子計算機是一個顛覆性的技術就是這道理。所以它將會帶來很大變化，我就不詳細講。

它的跟量子計算機一樣就是算題我要解函數，所以它還是輸入數據最後把函數算出來，所不同的就是處理數據的過程中，電子計算機用電子芯片穿行運算，一步一步穿，量子計算機用量子芯片並行運算非常快，就是這不同。所以其他的目的、目標都是一樣，這是兩個相同的，所處理的方法不同用量子這種並行的運算特點。這樣就導致所有的軟件都要發生變化，硬件變化要量子算法，要量子編程，一是量子計算的研究包含兩方面，一個是量子硬件、量子芯片、量子控制、量子測量。量子軟件包括量子算法、量子編程、量子體系、結構，和量子機器學習等等，這屬於軟件。硬件軟件兩手抓最後就會形成量子計算機的用途。

量子計算機現在通用或者大家追求的目標就實現通用量子計算機，也有各種量子受控門，單比特門等等，構成量子限度處理任何問題，這就基於圖靈機標準的量子計算，所以我們說量子計算主流在這兒。比如說要多少處理器才稱得上通用處理器，一個芯片上一千個量子比特，還有各種條件都要滿足，你才能做通用計算機，現在很困難。於是人們就想別的辦法就各種各樣派生，我們變一個花樣讓這難度降低，讓我更早做出來，所以提出各種的新興量子計算機，比如說單向的用光子計算，我做一個平臺，做一大堆光子輸出就是我的函數接口，這裡碰到的一些問題，還有分佈式，說我一個芯片一千個做不出來，我要做個十個行不行，十個芯片做出來了，然後每一個芯片做出來構成一個分佈網絡這叫分佈量子計算相當於也可以做這是一條路，當然這是有另外的困難，光子跟芯片之間怎麼交換怎麼強耦合這是新的問題。

還有一種拓撲計算還有絕熱計算等等，所有的花樣它們碰到的困難並不比標準這種量子計算的模型差多少，所以大家覺得還是很困難，所以量子計算機發展遇到了很多的困難。最大的困難是什麼？最大的困難是量子計算機實際上是人工製造的宏觀尺度的一個量子器件，宏觀尺度量子器件非常難以保留它的量子性，為什麼在宏觀看不到，不需要用量子學，物體所有都是經典。所有的環境都會破壞它，環境就是做的非常好，還有真空，真空在量子世界裡是一個噪聲源，這噪聲會把量子計算機相關性破壞掉，所以你辛辛苦苦製造一套量子計算機用不了多長時間，幾個微妙，幾個毫秒就自動成為電子計算機，你的並行能力全部消失掉你題目還沒算完這就死掉，所以在宏觀的尺度下怎麼保持量子相關性，當Shor算法出來以後，整個搞量子計算機物理學家非常興奮我終於找到量子計算機可以用，但是一想到宏觀這種消相干環境存在，而且我沒有辦法不可逆，怎麼都消除不了就涼了半截，覺得量子計算機只是一個紙上談兵，根本不可能做出實際的應用來。為什麼？你沒辦法看消相干，你沒有辦法保護量子性。當然電子計算機用電子管的時候，也有一個消相干的問題，電子管我不讓它通，但是如果來一個宇宙現象這電子管就通這是誤差，這誤差可以擴散，下一個處理還是誤差也不可靠，所以電子計算機研究初期也碰到同樣的問題，但是想了一個辦法叫做糾錯編碼，意思說我用5個電子管，當一個電子管用，就是5個比特來編一個比特叫邏輯比特，就是5個物理比特編了，如果中間出錯的我用少數服從多數，這叫糾錯碼，這在電子計算機已經用了非常好。量子物理學家就想那我把糾錯碼這種想法用到量子糾錯行不行，他們發現量子有一個定律不允許他們做，叫做不可克隆定律，一個量子比特我不知道它什麼樣我不可以克隆另外一個量子比特跟它一模一樣，這叫量子不可克隆定律。

所以一個量子比特我克隆不出來，所以經典的糾錯碼沒辦法用，這就是整個量子物理學家一年多全都處於低潮大家認為根本不可能。後來物理學家想了一個辦法我用5個比特編一個比特，我把做成特殊的糾錯態，可以抵抗所有的錯誤，這個叫做量子糾錯碼，所以開始提出要11個比特編一個比特可以糾所有的碼。然後其他的11個太多，能不能到9個，有人說9個也可以，最後一篇文章說最少5個，所以量子糾錯碼就這麼誕生使得量子消相干可以得以保護，所以科學家量子糾錯碼的發明從垃圾堆又撿回來，所以現在這問題解決了。這問題解決了不等於量子計算都解決了，還有另外一個錯誤也非常嚴重，叫操作，我們單比特門、兩比特門操作，操作過程裡有錯誤，這第一個操作發生了錯誤，就累計到下一步算出來的結果根本不可靠，這叫錯誤的延伸和擴大，所以這問題如果不解決也沒法操作，後來科學家發明了一種容錯編碼，如果你操作的錯誤率低於5個，我就有辦法糾，我糾正你的錯誤，第一步錯誤全部糾過來不影響下一步，這叫容錯編碼在理論上做出來。

但是容錯編碼一直非常高，怎麼高呢？如果是一五一十的負5字方，就是做10的5次方最多一次，所有的實驗做不到，幸好後來想了一個編碼10的負2次方。一個離子阱一個是超導，這就是量子計算機突然火的原因，就是人們找到實驗的辦法，糾錯編碼行了容錯編碼行了最大的困難就解決了，是技術怎麼使顯得問題。這就是量子計算機最近的勁裝。

最後大家集中在兩個最有希望，一個是超導一個是半導體量子芯片，他們的好處就是可以擴展，很多體系做幾個可以，做一百個也可以，但是做一千個一萬個就很難，但是這兩個都可以擴充，但是這兩個最大的困難是什麼？消相干太厲害，相干性太差。做出來很快相干性消失掉，所以長期人們覺得很困難，最近幾年相干性大幅度的提高，已經達到了200個微秒，這紅線就是半導體量子點現在世界上發展的情況，他們做的比我們早，最近報道兩個比特，一個芯片處理兩個量子比特這種水平，藍線是我們現在做，那是科技部的一個項目從零開始做，我們現在做到三個比特到四個比特能做成。所以在這個領域裡，我們基本上可以跟國外差不多水平，但儘管如此量子計算機可用的量子芯片還差的非常遠，所以這還有很長的路要走。但是超導比量子點好多了，超導也是一個相干性的問題，這多少年也有大幅度的提高，也達到了一百個微妙到二百個微妙，超導的比特數做的比較好，它的各個指標都做到差不多我們可以實際做出器件的水平來，實際上已經做到9個量子比特，9個量子比特芯片是可以編成的，每一個可以操控的就做到這水平，只有可以操控的芯片才可以做量子計算機它基本深做到的。這國際上比我們好得多，我們在這一方面相當落後。

2016年7月美國政府提出可以供早期科學研究用的量子計算機，好多公司就開始部署，所有公司跟大的國營企業全都有量子計算中心。歐洲有一個歐洲宣言花了10億歐元他們的目標今年開始15年之內做出通用的量子計算機。澳大利亞的他們的總理搞了一個硅基量子芯片研究所。D—Wava沒做出來，超導谷歌做的最好9個量子比特做出來，現在正在做49個，因為如果量子電子計算機也可以模擬量子計算機，因為它們兩個都是相同的目標，所以現在的電子計算機的最大能力能模擬多少呢？現在歐洲模擬的45個量子比特的量子計算的那種能力。所以如果量子比特能做到49個現在的所有電子計算能力根本沒法模擬，這叫量子霸權，一到了49個演示，誰都沒法趕過我。IBM有一個在線可以操作5個量子比特平臺，讓大家感受量子計算機運行，今年也要宣佈50個，所以我們年底看一看一個49，一個50是不是能做到，如果能做到說明人類量子計算能力超越了經典，但是離通用量子還非常遠。

半導體公佈是兩個比特，但是我們估計它做的比公佈好得多。歐洲做了兩個邏輯比特，我們實驗室最近也做了2個比特的硅基的。所以量子計算機處在什麼狀態，從晶體管到集體電路過渡的狀態，什麼時候突破也有可能很快，也有可能十年以後。

所以量子計算是量子信息領域主流的研究方向，量子計算機的研製已經到了關鍵時刻不是遙不可及。說不定很快就能突破。美國政府有一套硬件、軟件完整，所以現在它做到什麼地步呢？現在他們的主流是公司為主來做量子計算機，所以它的速度將會非常快。我們國家相比之下就落後了，我們在量子計算機落後的比較多。幸好我們十三五國家已經重視把納入重大國家計劃，我們發揮優勢集中力量能夠佈局好我們也有機會來超越它，因為畢竟誰都沒有做出真正的通用量子計算機，我們還有機會。好，這是我的報告。謝謝大家！

（內容根據現場速記整理，未經發言嘉賓確認，僅供參考，謝絕轉載）