第776期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《奇妙的量子（二）量子计算机离我们有多远》
讲座题目：透视新科技——奇妙的量子（二）量子计算机离我们有多远
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：范 桁，中国科学院物理所研究员。
孙晓明，中国科学院计算技术研究所研究员。
讲座时间：2026年6月8日～6月14日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——奇妙的量子（二）量子计算机离我们有多远
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。计算机的出现给我们的生活带来了很大的改变，而近些年，我国科研人员又研究出了量子计算原型机，它的算力无比强大，如此强大的计算机到底会给我们的生活带来哪些改变呢？通过短片进入今天的节目。随着信息时代的到来，我们的衣食住行与计算机数据处理速度紧密联系在了一起。超级计算机的诞生大幅提高了计算机的运算能力，但是在处理物理学中一些特定问题时，超级计算机却暴露出算力不足的问题。1981年，著名物理学家费曼设想通过计算机模拟量子系统的性质时，发现经典计算机根本无法应付爆炸式增长的计算量，于是他提出利用微观粒子的量子特性研制新型计算机，这就是量子计算机概念的起源，之后一些经济发达国家的科学家便投身于量子计算机的研发。2020年，我国科研人员成功研制出光量子计算原型机九章，它一分钟完成的特定计算任务，超级计算机却需要花上一亿年。时隔一年后，2021年5月，中国科研人员又研制出可以编程的超导量子计算原型机祖冲之号，离我国研制出实用的量子计算机，又近了一步。我们今天请来的两位嘉宾，一位是中国科学院物理所的研究员范桁，另外一位是中国科学院计算技术研究所的研究员孙晓明。
计算机已经可以给我们做很多事情了，为什么还要做量子计算机？人类对于算力的这个追求可以说是永恒的。古时候魏晋南北朝的我们的著名的数学家祖冲之，他用很简单的一些算筹这样的工具，他就可以把л（圆周率）算到小数点后的七位。我们现在都很惊叹，他用那么简单工具怎么算成的？然后我们在《清明上河图》里头，其实就已经看见了算盘这样的一个计算工具。我们知道在建国（新中国成立）之初，“两弹一星”的老前辈科学家们，他们在去算跟“两弹一星”相关的数据的时候，他们用的既包括算盘，还包括一些计算尺，一些手摇的计算工具。当然今天我们已经有了像曙光、像天河在超算的排行榜上，我们国家曾经连续多次都拿到了世界第一。但是我们现在的经典计算机，它是受到摩尔定律的限制，比方说一年半或者两年，这个晶体管的数目要翻倍，那么现在基本上已经达到了一个界限，今后的这个发展它就会慢下来，那我们就是急需要找到一个解决的方案。在很多计算问题上，特别是涉及到量子力学的一些计算，量子化学的一些计算，那我们现在的经典计算机还是不能够胜任，所以我们有必要去发展量子计算，就像费曼所说的这个自然界它不是经典的，所以要想去模拟它，我们就应该使用量子计算机。
费曼他是一个天才的科学家，量子计算机费曼也是提出者之一，他非常早的时候提出我们要研究的这个宇宙，或者说我们的这个自然界，它是量子的，但是如果我用现在的经典计算机来研究量子的世界的话，我就会发现我的这个能力，它是非常受限的，所以他就提出自然界是一个量子的，那我要解决量子的问题，我就需要一个量子计算机。我们现在科技已经发展到一个非常特殊的这个阶段了，那么我们有能力去调控量子，那么这样的话，自然而然就会想到，我们可以造一个非常强大的量子计算机。量子是现代物理学的一个重要概念，量子力学描述的是微观粒子的物理现象。在微观世界里，量子具有叠加态的特性，利用这一特性，量子计算机实现了经典计算机无法实现的0和1叠加在一起的并行计算模式，从而让计算机的运算能力有了质的飞跃。量子计算机到底有多厉害？我们现有的量子计算机，比方说53个量子比特，它的数据量是2的53次方等于10的16次方，大概有这样的一个数据量，这个数据量是什么样的数据量呢？就比方说我们天河超级计算机，把所有的硬件都用上，这些数据都存不下来，这个实际上只有50多个量子比特，简单地说，这地方用量子计算机非常轻松的，用经典的计算机就很难完成。所以我们经典计算机说是要一万年，实际上这个一万年可能有时候还说得少了，实际上我们就没办法算。就无法完成的任务？无法完成的这个任务。
我记得当时谷歌发布它的第一台量子算机就做了这样一个比方，它一分钟完成的任务，用现在地球上最强的传统的计算机，一年也完成不了。谷歌它说，它用200秒完成的这个计算任务，用美国最先进的超级计算机，Summit顶点，它还需要一万年。量子计算机它实际上对于经典计算机来说，它是一个变革性的技术，它的所有的这些功能也好，它的运算的法则也好。它的算法、运行的基本原理等等，它都是不一样的，那这样的话就是说是我们互相比较，去完成一个同样的这个任务，你经典计算机你是做不到这件事情，但是我用量子计算机能做到谷歌它的人工智能量子团队，在《自然》上发表文章，说他们已经拿到了所谓的这个量子霸权，但是后来大家觉得这个量子霸权这个词儿本身还是有点误导，大家又把它称为就是量子优势，不管怎么说，他们是演示了这么一件事情。我有一个这个计算的任务，这个计算的任务用量子计算机相对来说是非常容易就可以解决，我们国家第一台量子计算（原型）机就是九章，它实际上完成的科技任务是和谷歌完全一样的，是一个特定的计算问题。但特定的计算问题应该来说，我们国家做得更好一些。我们电视机前观众看到量子计算机的原型机会大吃一惊，说这也不是计算机的模样啊。量子计算机大家有点疑惑，大家会问你的量子计算机在什么地方，就是到实验室里边一看之后，就会发现所有的这些设备，所有的这些器件摆满了整个一个大的屋子，就觉得说这好像就不是一个计算机和我们想象中的计算机根本就不一样。
实际上就是我们经典计算机，大概是在1945年的时候，它也是一个非常庞大的，比方说2.5吨，占地的这个面积也非常大，大家进去之后一看，好像就不像一个算盘，也是很复杂的，那么现在这个量子计算机还处于一个非常原始的阶段，我们期望它将来用起来它的最后的这个状态，它是和我们的台式机是一样，还是有其他的这些状态呢？这都是有可能的。但是我们有一个原则，就是我们现在的计算机，它无非就是执行一些信息处理的任务，放这个视频也好，然后做计算也好，打文件也好，它都是做一些计算的应用。我们的量子计算机，它也是一个应用。那么，我们想象的量子计算机实际上也有芯片，也有操作系统，也有应用软件。从现在的来说，它还是只是一个科学的一个工具了，九章、九章二号，祖冲之和祖冲之二号，实际上是一个科学的实验。现在的这个量子计算机在实验室里边，它就是非常昂贵的设备，另外一个它非常精巧。那么巨大的体积，你为什么用精巧来形容？它精巧，因为它是量子，它里边的微小的一个扰动就会带来非常巨大的错误。那这样的话，就是我们的这个量子计算机，它很不稳定。我们把现在的祖冲之和九章称作是原型机，有人就会问它能不能真正意义上算作量子计算机？我的这个算力是依赖于我的实验系统到底先进不先进，那我们的这个实验系统，它实际上已经发展得比较先进了，那在这种情况下，实际上就是我们现在虽然它是一个实验，但是它是为我们实用化发展过程里边非常重要的一步，所以我们就是把它称为原型机。另外一个，它既然称为原型机，它应该具有量子计算机的所有的这些功能。它的计算也好，测量也好，给出答案也好，它真的是能做一个问题，能给出一个答案这么一个机子，那这样的话，我们可以把它称为原型机。
作为一个原型机，它更多的是从原理上去验证，这些原理是不是都是可行的，都是正确的，从这个角度来看的话，那么九章和祖冲之它们验证了量子计算确实是可以实现，但是为什么不把它称为一个真正的量子计算机呢？应该来说现在的这个原型机，它的应用范围非常窄，它可能就是只能做一件事情，它的编程能力也非常少。这样的话，它的通用性就不是那么太强的，因为我们的计算机通用性是非常强的，它既可以通信，也可以发e-mail（电子邮件），也可以编文章，也可以去上网等等，这实际上是依赖于它编程能力和它的通用的这个能力。那么我们希望既然成为量子计算机，实际上还是希望它通用性更强一点，它能做更多的任务，如果只能做一件事情，那么它可能就是一个专用机。所以我们说原型机，应该来说（是）一个非常重要的进展，但是同时它距离实际应用还非常远，那么我们就称为它是一个原型机。专用性和通用性，这是它们现在作为原型机的一点，另外它的可扩展性，还有它的稳定性，也都是距离着一个通用的量子计算机，还有很长的路要走。
二十世纪八十年代量子计算机的设想提出后，多个国家和机构尝试研发量子计算机，但能够实现量子优越性的却寥寥无几，直至2019年美国的公司才通过超导量子计算原型机悬铃木在特定任务上展现了量子优越性。2020年12月，中国科技大学的科研团队设计构建了光量子计算原型机九章。研究显示，九章等效比悬铃木快一百亿倍，这一成果使我国成为第二个实现量子计算优越性的国家。2021年5月，潘建伟院士团队成功研制出可编程超导量子计算原型机祖冲之号，不到半年后，祖冲之二号和九章二号又双双问世。中国成了至今为止，世界上唯一一个在两条技术路线上实现量子优越性的国家。我们在很短的时间内就推出了祖冲之二号和九章二号，一号和二号，它这个区别是什么？九章，如果我记得不错的话，它是对应于五六十个量子比特，那么九章二它是76个量子比特，但是我们应该考虑到量子比特实际上是一个指数增长的，比方说我是增加10个量子比特，2的10次方实际上就是一千倍。那如果我用一个算力来说的话，我这个天河或者太湖之光，我们的顶尖的这个超算，那么我们开始的时候有一个天河，有一个太湖之光，那我们后边增加了10个量子比特，那我就等于是有一千个天河，有一千个太湖之光。实际上这个进展还是非常大的，但是这个进展，它不全是实验上的进展或者技术上的进展，最主要的就是还是量子计算机本身它所带来的这个优势。
这说明量子计算机发展前景还是非常好，那这个差距对它们的算力的影响的结果是什么样的？一号和二号，我们可以把它理解成这个普通计算机286和586的时代吗？我想这个差距可能比这个还要巨大，因为它们之间是一个几何级数的增长，每增加一个比特，那么我的算力就会乘2，所以我只需要加10个比特，我的算力就是原来的一千倍。如果加20个比特就是100万倍。我打一个比方，在《十万个为什么》里头有一个小故事，古时候有一个国王，他想奖励一个很聪明的大臣，那个大臣帮他发明了国际象棋，然后那大臣说，那你怎么样奖赏我呢？你只需要在国际象棋的棋盘里头，第一个格放一粒米，第二个格放两粒米，第三个格放四粒米，每次加倍。然后国王就欣然答应了，因为他没有去算。但是当真正想要兑现这个奖励的时候，他发现说他把全国的粮食，哪怕是几十年全国产的所有的粮食放到这个棋盘上，都没有办法给这个大臣，所以这就是一个几何级数的增长，它带来的这个效果。虽然说从祖冲之一号到祖冲之二号，它的比特数提升了只有十几个比特，但是它这个算力的提升是一个几何指数级别的增长。
有了九章，为什么要做祖冲之？既生瑜，何生亮？如果我们把这个量子计算机理解为一个马拉松，如果马拉松，我就假定四万两千米，就是有四万两千个量子比特，它是有用的。那我们现在也只跑了就是五六十米，我们将来预测量子计算机怎么来做成？实际上这个技术路线还没有确定，我们并不知道将来谁会胜出。祖冲之，他是用超导量子计算。那么超导量子计算实际上是把一个芯片，放在一个非常低温的这个环境里边来进行操作。当然，这一个是非常昂贵的。九章它是用光量子，它的探测也是用到所谓的这个超导的单光子探测器，那也是非常昂贵的。应该来说，光量子计算和超导量子计算都达到了几十个量子比特，甚至接近一百个量子比特，这样的一个水准，但是它距离实际应用应该来说还是非常远的，那我们实际应用需要多少个量子比特呢？我们过去的这个估计也就是一万或者说是十万可能还不太够，可能还需要百万量子比特这样的这个量级，这样的话，这两个技术路线谁最后能胜出呢？我们是不清楚的。在这种情况下，我们国家作为一个科技发展这么好的一个国家，在量子科技的这个布局里边，量子计算机它有可能是超导量子计算机，有可能是光子量子计算机，甚至有可能是半导体量子计算机。多条腿走路。除了刚才您提到的光这条路线，还有超导这条路线，事实上我们国家还布局了离子阱，还有拓扑量子计算等等多条路线。现在是马拉松才刚刚起跑，现在的技术成熟度还非常低，路上还有很多坑，我们要去一步一步地踩，我们必须说每一个路线都去真正地把它做一遍，才能知道这条路线上到底有哪一些坑。因为在现在这个科技对抗的大环境底下，很多技术我们现在已经不可能从国外直接拿到了，所以我们必须说自己一点一点地去蹚出一个路来。
量子计算机到底能为我们做什么呢？我们肯定就是有一些量子计算机的这个应用，我们都觉着这个经典计算机是解决不了的，量子计算机一个非常重要的应用，实际上就是在量子化学这个方面，包括量子模拟。化学的专家他们认为，这方面的这个应用是非常广泛的，比方说这个材料的合成，药物的合成。我们现在就是用这个锅锅罐罐，类似于这样的一些东西在合成，但是这样的话它是非常花钱的，也是很费时间的，经济上这个肯定是不划算的。因为要算药物合成、靶点的寻找，包括各种材料制备，材料的人工合成，材料的构成等等这方面，它的计算量是非常大的。我们实际上就是在药物合成或者说是化学反应等等这个里边，所有的这些过程都是一个量子的过程，如果我们量子计算机能非常好的解决这个问题，那么它这是一个非常广阔的应用的领域。那这不是大大的节省了我们实验的成本吗？对，那么药物合成，包括我们就是生命的这个科学，生命的科学实际上是非常复杂的，我们每一个人都不一样，包含的信息也非常大。量子计算机是不是在这个人工智能方面，或者说是在类脑计算等等这方面，它会有一些非常大的这个应用呢？也都是非常具有前景。
目前量子化学方向是量子计算，包括像谷歌公司它们在做出来了，它们的悬铃木那个机器之后，它们很快做了一个量子化学的模拟实验，所以在这方面的进展还是非常乐观，当然这个路还比较长，但是现在的所有的实验的进展，包括它理论的预测都是相符的，可能是癌症也可能是帕金森，或者说其他的疾病，我们觉得说这个方向至少是对的。另外一个应用就是数据搜索，就是实际上是无规律的数据搜索。还包括一些物流优化，比方说现在经常说的邮递员的这个问题，它是路线的这个规划，它实际上是变化非常快的，我要把所有的这个因素考虑到，量子计算机有可能会应用到这个方向。在这个交通优化上，除了可以去把路线进行优化选择，选出一条最优的路线，现在有的公司他们在通过量子算法来优化这个交通灯，就红绿灯的调整。因为知道每一个路口，它这一个红绿灯就有三种状态，那么假如说有一百个路口，那就有3的100次方这么多个状态，那这个计算量是经典计算也不可能完成的。现在大家已经尝试，用一些量子的办法把交通灯控制得更好，使得交通更加流畅。还有比方说我们的这个天气预报，天气预报它会涉及到很多的信息计算，现在它是依赖于我们的算法，但是我们要算得更准确一点，或者说我们可能天气预报预报的时间更长一点，或者说是其他的信息不足够的情况下，那么我们也是期望量子计算机也会做到这个应用。实际量子计算机现在已经有所应用了，但是我们大家平常生活中可能见不到有一些基金公司，他们就是在做这个一揽子股票的，就是一揽子股票的时候，那么它会用到这个优化的问题，它可能就要用到量子计算机。
当然了，所有的这些应用还是一个初步的，或者说是一个原理上的验证，小规模地用试探地这个去用，但是真真正正的实际应用，我自己觉着还是需要探索，所以我们现在有一个非常重要的这个发展方向，那么就是这个量子计算的落地应用问题。因为我们的这个落地应用，那么真真正正产生价值了，产生这个收益了，那就有正反馈。2021年10月诞生的九章二号原型机已具备部分可编程能力，它处理特定问题的速度，比全球最快的超级计算机要快10的24次方倍。九章二号所解决的特定问题可以链接到量子化学、图形优化和量子机器学习等潜在应用程序。目前量子计算机尚处于原型机阶段，但它已开始尝试在人工智能、医学、材料化学、交通物流、金融服务、天体物理学等领域实现突破性应用，彰显出量子计算的优越性。量子计算机会替代我们普通的传统意义的计算机吗？要说替代，我觉着还为时过早，这件事情我们还要发展的眼光去看，量子计算机它无非是一种计算的工具，它来帮助我们，我们不能说是，我们有了这个Pad（平板电脑），我们这个电视就不需要了，将来的量子计算机，它实际上是现有计算机的升级和补充。
它升级的是什么，补充的又是什么？升级比方说我们用到的这个保密系统，它都是基于某种算法，这个算法它就告诉我们，我们的这个信息经过这样的这个加密，别人是非常难去把这个信息去拿到的。因为他没有这么大的算力去算它，但是就是量子计算机如果有了之后，那我对这个密码这个破解，我就可能是非常快，这样的话，我们现在的所有的加密系统就等于说是不能用了。我们需要一个量子计算机来升级安全系统，这个我认为就是一种升级，另外一种就是补充，这个补充我自己觉着就是要更广泛，有一些东西是经典计算机是可以算的。但是它有可能花费的时间非常长，用量子计算机可能处理起来它就非常简单。我们有一位国际上非常有名的科学家，他说你这个用美国的最发达的超算可能就需要一周时间，或者说是一个月的时间去算这个问题，但是用量子计算机，可能用三分钟就算完了。那么这样的话，有一些问题是经典计算机很难去处理，那么量子计算机就可以去做，有一些它是量子计算机可能处理起来更好，更简单，或者说是更准确，或者花的时间更少，或者说是花费的钱更少、成本很低，那这样的话，实际上量子计算机就会带来一个经典计算机非常好的一个补充。
未来怎么做到量子计算机的普及或者应用，我们现在的这样的这个发展，我应该来说就是大家会想到将来的用法可能就是云，云计算实际上就是有对应的量子计算云平台。那么量子计算云平台，它是一个非常重要的发展方向，它意思是我们大家要算一个东西，不要去跑到专业的实验室里边，因为那个实验室里面都是科学家在操作，但是我们可以通过互联网放在云端，那这样的话，任何一个公司它需要用量子计算机的话，他就直接在云端去用量子的算力去做，那么这样的话，我量子计算机可能就非常容易的去普及了。现在的经典计算机，最早的时候第一台计算机它是2.5吨，像我们这样一个演播室可能都放不下。另外，在那个同一时期，IBM的创始人沃森，他曾经说过一句话，他说这个世界上只需要五台计算机，但是现在我们人手一台，可能人手两台计算机。所以量子计算，它可能也是随着技术的不断迭代发展，有可能它真的是未来也像我们现在的手机，像我们的Pad（平板电脑）一样，这是未来一种畅想，存在这种可能性。
未来随着量子计算机技术的不断的提高，会对我们普通人的生活带来哪些改变？我自己认为它的改变可能是非常巨大的。因为量子计算它是一种变革性的技术，实际上我们的这个计算机，它发展到现在是非常发达的，我们很难想象有更发达的计算的工具，比我们现在的这个计算机还要强大。但是人类的探索一直都是在进步的，我们将来的这个需求也好，我们的生活的方方面面也好，可能就是有很多的这个问题需要去解决。我们想象一下，如果量子计算机它只占我们现有经典计算机的十分之一的市场，那么这个市场就大得不得了。所以量子计算机发展前途是非常广大的，当然它的方方面面的应用，需要不单是我们科学家要去努力，而且我们也是期望有更多的年轻人，有更多的小朋友，他对量子计算机感兴趣，然后他熟悉量子计算机的运行的功能，他利用一个量子计算机非常简单的这个运行的原理，它就会设计出更多的应用程序。感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多节目内容，可以下载央视频，收看我们过往的节目。那今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
