中国科学院院士向涛详解量子计算历史、现状和未来

Ldquo前几天在百度举办的，看到未来在量子开发者大会上，中国科学院院士，北京量子信息科学研究院院长向涛发表演讲称，最近几年来，量子科学技术特别是量子计算的研究不断加速包括中国在内的40多个国家制定了量子计划，量子科技前沿的竞争正在升温

20世纪初，以普朗克，爱因斯坦，霍尔为代表的科学先驱们共同努力，建立了量子力学这一人类最基础，最深刻的科学理论体系这是一场划时代的科学革命，为现代信息技术的发展奠定了科学基础，必将成为未来量子信息技术革命的科学源泉

20世纪50年代以来，以半导体，激光，磁存储为代表的量子材料和量子效应的广泛应用，推动了当代信息社会的发展，实现了第一次造福人类的量子技术革命但这次技术革命只是被动的理解和利用量子现象来实现科技创新，对量子材料和量子效应的操控仍然是经典量子态的相干性，量子最基本的特性，并没有被利用

为了充分展示量子态的特性，充分释放量子的潜力，必须主动控制量子态，在保持其相干性的同时实现量子态的转换，控制和测量一旦做到这一点，我们将实现量子技术的第二次革命，人类将正式进入量子信息时代

核心是量子计算。

向涛介绍，量子信息技术主要包括量子计算，量子通信和量子精密测量，但其核心是量子计算没有量子计算，光靠量子通信和量子精密测量无法动摇现有信息社会的信息技术基础

与经典计算机不同的是，量子计算机的计算位数呈指数增长，而不是线性增长也就是说，每增加一个量子比特，量子计算机的计算能力就会翻倍，这就是量子计算对信息处理的指数加速效应，是经典计算机无法企及的这种指数级加速效应一旦实现，必将带来信息处理的革命性变革

但是，现阶段在实验室中可以制备的量子比特的寿命或者相关时间还很短去年，北京量子信息科学研究院将单个超导量子比特的关联时间提高到5.03微秒，这是目前国际上的最高水平，但距离量子计算的指数级加速要求还很远

量子计算的想法始于解决物理学和化学中的量子问题的需要量子计算不仅可以解决科学研究中的问题，还可以解决所有与信息处理相关的工程，技术和应用问题从人工智能，密码破译，生物制药，化学合成，物流和交通管制，天气预报，数据搜索，物质基因到金融安全和问题，凡是需要数据处理和计算的地方，量子计算都能发挥作用可以预期，伴随着量子计算的发展，量子信息技术的触角将渗透到信息处理的每一个角落

它是量子微观粒子，有电子，原子，分子等基本运行形式量子现象存在于比我们生活的宏观世界小至少6个数量级的微观世界中之所以难以主动操纵量子态，是因为我们操纵微观量子态的手段是宏观的，而宏观的手段是用来操纵微观量子世界的，量子相干性也是有保证的，就像让一头大象在一根细线上跳舞，而且不要让钢丝断了，同时也不要让大象掉下来这是量子计算研究面临的最大困难，也是最高级别的科研挑战

向涛指出，量子计算的基本发展已经四:高门槛，高投入，高风险，高回报是对一个国家高层次人才队伍科技发展水平和实力的综合考验目前，量子计算技术的研究还处于起步阶段，发展路线，方法和目标都存在不确定性，R&D投资的风险不可避免但是，量子计算可以给人类带来巨大的回报原则上，如果实现量子计算的指数级加速，一台具有100个容错量子位的量子计算机的计算能力可以超过目前世界上所有计算机计算能力的总和

量子计算的三大发展趋势

从20世纪80年代开始，量子计算被基本的物理思想和初级原理验证，现在已经进入所谓的带噪声的中尺度量子计算时代中等规模意味着现在可以可靠控制的量子比特数量大概是几十到几千带噪音意味着每次量子比特的运算都存在一定的误差，无法实现精确的量子计算

向涛强调，这是量子计算发展的必经阶段，也是量子计算各种路线探索和人才积累的关键阶段在有噪声的中型量子计算时代，量子计算的应用和产业化已经开始，成为国际大企业和公司展示实力，布局未来的新战场这种激烈竞争背后的逻辑很简单如果失去了对量子计算的掌控，就可能失去未来信息社会的话语权同时，产业化为量子计算的研究注入了新的活力，加速了量子计算机的发展

向涛认为，量子计算的未来发展趋势主要在三个方面:

首先是规模目前量子计算是可靠的，操纵的量子比特数在100个左右以后会逐渐达到几千，几万，几十万，几百万甚至更高的水平第二是容错量子计算需要大量的量子比特，但更需要制备具有任意关联时间和容错能力的量子比特第三是融合目前是实现大量量子比特及其控制系统的集成化和小型化，是降低量子计算机研发成本，实现量子计算机广泛应用的前提

乐观估计，到2030年，高质量制备和操纵的量子比特数量将达到数万个在此基础上，通过不断修正大量的量子比特，有望制备出容错的逻辑量子比特向涛预言，再过10年，也就是2040年左右，他将能够控制多个逻辑量子比特和通用量子计算机逻辑门，并在此基础上准备一台简单的量子计算机届时，量子信息技术及其应用将进入高速发展阶段