中科院院士潘建伟：希望10至15年构建通用量子计算机

11月18日，第五届世界声博会暨2022科大讯飞全球1024开发者节在合肥拉开序幕。众多院士学者、产业领袖、行业知名专家与生态开发者云集于此，共同探讨人工智能技术的最新进展和广阔应用前景。

面对世界的各种不确定性，中国乃至全球经济下一步发展的主要动力来源在哪里？

科大讯飞董事长刘庆峰在开幕式上分享了自己的见解。数字经济是全球经济复苏的关键动力，人工智能是数字经济的核心引擎。可以看到，2021年全球47个国家数字经济增长达15.6%，讯飞开放平台AI调用量增加36%，多款应用的AI调用量大幅增加。

开幕式上，中国科学院院士潘建伟发表演讲，分享了量子计算的发展现状并展望未来。

潘建伟表示，经过科学家40多年的努力，目前已达到量子计算的第一阶段。他期望通过10-15年的努力，在顺利实现量子纠错的基础上，构建通用的量子计算机。

“我们希望在未来5年实现量子纠缠，然后完成数百个乃至数千个量子比特的相干操纵，以解决量子化学、新材料设计和优化算法里的一些问题。同时我们希望能够通过10至15年的努力，实现在密码分析和大数分解等方面的应用。”

人类对计算能力的需求极速增长

当前，中国在量子技术方面有一定引领地位。潘建伟表示，量子信息已经在信息科学、能源科学、生命科学和材料科学等各个方面，都起到了巨大的推动作用。但是在发展的过程中，也面临一些问题。

在现场，潘建伟分析了一组数据对比。

在1943年首台计算机创建后，每秒钟大概能计算5000次。当时IBM总裁预测，这样强大的计算机全球只需要5台就足够了。但到了2010年，智能手机每秒可以处理的计算达到15万亿次。也就是说1943年的计算机，现在每个人手上都有几十亿台。

“从这个角度看，我们对数据的需求，对计算能力的需求是处于急速增长中的。”

潘建伟表示，一般发展计算能力是用加强晶体管的集成度实现的。而根据摩尔定律，在单位面积上可集成的晶体管的数目每18个月就可以增长一倍。目前的晶体管尺寸已经达到4个纳米，预计不到10年时间，就会达到亚纳米尺寸。到了亚纳米尺寸后，量子效应就会开始发生作用。

这意味着什么？潘建伟做了一个形象的比喻：如果说要分解300万大数据，用目前万亿次的经典计算机大概需要15万年，用量子计算机只需要一秒钟。

量子计算的能力为何这么强大？

潘建伟解释称，量子计算的能力随着纠缠粒子的数目增加而指数增长。在经典世界里，手机和电脑中的比特处于0或1的状态，但量子系统里就可以处于0+1，当有50个比特，在传统计算机里，只能处于2的50次方个状态中的某一个。到了量子世界，它就可以处于2的50次方种状态的相干叠加。

前景听起来如此光明，这样的量子计算机什么时候能造出来？

潘建伟表示，其实量子计算的概念在上世纪80年代就被提出来，经过科学家将近40多年的努力，才达到第一阶段。因为这个路太长，所以整个领域的专家把量子计算的发展分成三个阶段。

第一个阶段，目标是实现50个粒子左右的相干操纵。“一旦达到45个粒子，它的计算能力就跟目前世界上最快的超级计算机差不多。一旦达到100个粒子，它就是目前全球计算能力总和的100万倍。”潘建伟说。

目前，在某些特定计算上，针对若干问题，比如玻色取样组合优化，计算能力能够超过现在的超级计算机。“这已经在这一两年顺利完成了。”潘建伟透露。

希望10-15年构建通用量子计算机

目前，科学家们正在量子计算领域做些什么？潘建伟表示，因为量子计算特别容易出错，希望通过5-10年的努力，找到一种手段让计算不发生错误，这样需要发展的手段便是量子纠错，能够将计算中发生的错误消除。他正在做这样一件事，并期望能够用4-5年的时间完成。

他提到，在量子计算能够顺利完成纠错后，未来5-10年，能够来操纵数百个乃至数千个量子比特，构建专用的量子计算机，针对传统超级计算机无法解决的具有重大科学意义的物理问题、化学问题、医药问题。鉴于量子计算的优越性，传统的超级计算机光靠算法改进几乎不可能超越。

“那么通过10-15年的努力，在纠错顺利完成的基础之上，我们希望能够来构建通用的量子计算机。”

潘建伟表示，第一个宣称实现量子计算优越性的是谷歌公司，而2021年中国研制的“祖冲之二号”量子计算优越性，除了在读出错误率上稍微比谷歌差一点外，其他所有指标都优于谷歌。在求解随机路线采样问题上“祖冲之号”比目前的最优经典算法有10万倍的计算优势。

此外，中科院团队利用最新的一种经典计算算法——张量网络计算，打破了谷歌的量子计算优越性。目前科大的团队正在用超级计算机验证张量网络算法，一旦得到验证，则意味着谷歌的量子计算优越性在目前最好的算法下并不完全成立。由此可见，经典和量子计算之间的较量从未停过。

潘建伟将这形容成一个非常有趣的故事，或者说是一种游戏。但是在应用上有很多实际的意义。例如制药方面，化学反应经常会涉及到多个电子之间的相互作用。那么未来可以对一个包含几十个多电子复杂体系的势能面的精确信息进行计算。

另外，对于量子计算硬件的发展趋势，潘建伟表示，按照谷歌的计划，到2029年、2030年时，大概可以达到100万个或者百万量级的量子比特的操纵。那么这个时候就有可能对大数分解进行破解了。

“这个领域尽管离我们还稍稍有点远，但是已经正在以非常快的速度向我们走来。”他说道。

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