院士报告厅｜俞大鹏：量子计算产业不能等，需加强人才储备

量子计算机研制和应用已经成为各国战略竞争焦点之一，量子计算技术正走出实验室，走向行业应用。

近日, 安徽省量子计算工程研究中心及量子计算芯片安徽省重点实验室传出喜讯：中国首条超导量子计算机制造链启动升级扩建。自主量子芯片生产、整机组装等超导量子计算机制造核心环节将进一步提升,这标志着中国超导量子计算机自主制造能力增强。 

中国科学院院士俞大鹏在“科技创新院士报告厅”发表演讲。

8月29日，由深圳创新发展研究院、中关村产业转型升级研究院、深圳企联等共同主办的“科技创新院士报告厅”第13期开讲，中国科学院院士、深圳国际量子研究院院长、南方科技大学讲席教授俞大鹏分享了量子计算的技术前沿与产业发展趋势，并就中国科技发展如何做到追求原创、注重应用等问题给出了建议。 

以下内容根据俞大鹏院士演讲记录整理： 

目前量子科技是中国重要的发展战略，身处数字时代，算力定义一切、算力决定一切，而量子计算以其强大的计算能力，正重新定义着算力的边界与可能。通用量子计算机一旦被做出来就太强大了，若是与人工智能深度融合后甚至可以决定人类的命运。因此，要将发展以量子计算为代表的量子信息技术作为国家战略建设和布局。

一、万物皆可量子，人人皆可量子

宇宙万物，从微观到宏观，皆可追溯到其最小的量子构造单元。这些微小的量子是宇宙最底层的科学基石，更是构成万物的奥秘，所有的东西都是由最基本的量子构造单元组成的。我们所熟知的一切宏观现象，底层基元的规律就是量子力学，量子力学是反直觉的。而宏观和微观其实是混为一体的，只是从两个不同的层面来描述物质运动的规律。

量子力学深入探索了宇宙由最小构造单元组成的本质，揭示了这些单元运动的最基本、最底层的规律，从而成为我们理解宇宙万物运动规律的关键科学。

宇宙万物是有一个最小的“砖头”，这个“砖头”就是原子，原子以上的构成都是确定的，原子也有大有小。但是把原子砸开的话里面是空的，其核心原子核只占原子体积的亿万分之一，是非常微小的，电子围绕原子核以电子云的形式在运动的。

因此，从微观的层面来讲，宇宙是非常虚空的。

从微观的角度来说，人类还是非常了不起的，人类身体大概有10的38次方的原子，这个数目大概比宇宙当中所有的星系还要多，每个人都可以看成是一个小型的宇宙。

尽管宇宙看似很庞杂，但是从底层规律来讲，宇宙由四种基本粒子——电子、光子、夸克和胶子构成。这四种粒子在强力、弱力、电磁力和引力四种相互作用力下构成的宇宙万物，就是老子说的“道生一、一生二、二生三、三生万物”，“道”就是相互作用的规律。

宏观的现象和微观的粒子行为是相辅相成的，量子力学正是描述宇宙万物的这四种粒子基本运动的基本科学，这就是为什么万物皆可量子、人人皆可量子。 

二、量子力学最成功的应用就是当今的电子信息技术

量子科技绝对不是时髦的东西，而恰恰相反，以电子信息技术为主导的工业体系，包括手机、互联网、集成电路等，它们的科学基础都是量子力学。量子力学最成功的应用就是以固体能带论为代表的现代电子信息体系，这样才能形成一个价带、导带、禁带。基于固体的能带论才能把物质分为导体、半导体、绝缘体。

以电子信息技术为主导的工业体系

第一次量子革命造成了现在以电子信息技术为主导的工业体系，但这一体系在很大程度上是对原子层面现象的被动认识和改造。尽管，芯片等技术的日常运作不直接涉及量子效应，但是，其工作原理是基于量子力学及其固体能量运用的，所以大家别觉得量子力学那么神秘，我们现在用的东西都蕴含着量子力学的原理。

那么，为什么还要提以量子计算为代表的第二次量子革命呢？主要源于下面的三个驱动力：

第一个驱动力是需求，大数据、数字时代呼唤颠覆性的算力，因此量子计算机被推到前台。

前面强调过，算力决定一切、算力定义一切。然而，大家看看我们的手机，我们的超算、数字计算机算力到了天花板。以三极管为例，直接在一个芯片上集成几千亿个二极管和三极管，集成度越来越高，每个晶体管的体积会越来越小，比如三极管像一个水龙头一样控制水的大小，实现0和1的开关，但是随着晶体管的尺寸缩小到了纳米级以后，会出现量子隧穿的效应，导致漏电等问题。量子效应导致了数字计算到了天花板，而现在的大数据是每两年就要翻一番的。所以，面对大数据的爆炸性增长，需要一种颠覆性的算力来应对，正是这样的需求把量子计算推到了前台。

当然，这并不意味着电子计算机不行，量子计算机永远不可能取代电子计算机，它只能做电子计算机做不了的事情。

第二个驱动力是量子科学本身需要发展，早期的量子力学先驱们，如爱因斯坦、薛定谔、普朗克等也对量子世界的某些特性感到不解，他们觉得这些东西不是那么完备、不是那么靠谱。爱因斯坦曾对量子力学的随机性提出质疑，难以想象，微观粒子会像掷骰子一样不可预测。另外爱因斯坦对量子纠缠的概念更不能理解了，两个微观粒子的纠缠如何能超越空间与时间的限制相互影响，这个纠缠是否真的存在呢？爱因斯坦的粉丝贝尔设计一个实验，证明爱因斯坦是对的，纠缠是不存在的，贝尔不等式后来被证明是被违背的。2022年诺贝尔物理学奖给了量子信息的三位先驱，他们通过光子纠缠实验，证明量子纠缠是存在的。 

2022年诺贝尔物理学奖获得者

所以说，量子科技本身需要发展的，早期的爱因斯坦都不能理解量子科学力学的方方面面，更别说普罗大众了。

第三个驱动力就是能力提升，2001年前说量子计算简直是天方夜谭，因为那时量子计算寿命是纳秒级别的，量子力学完不成逻辑计算，而现在的量子计算体系的相关寿命是微秒乃至秒、分钟、小时，甚至更长时间。如今，能够精确地在量子态层面操控微观世界，包括朱棣文（诺贝尔物理学奖获得者，中国科学院外籍院士，第12任美国能源部部长）、法国人克洛德在1997年有个光镍的工作，到2012年以后，他们的学生跟美国人说，可以精确地在量子态的层面操控微观世界，还有在极端的条件下——极低温、极弱信号这样的环境中探测能力很强的，能够加工原子级别的电极结构等，随着这些能力的提升，使得那些以前不敢想的事情，正逐一变为现实。

综上所述，量子计算有三个驱动力：第一是需求，第二是量子力学本身需要发展，第三是能力提升。

时势造英雄，量子计算机具有这种潜质给数字时代提供一种算力。下图是我同事做的一个卡通，如果说100名学员走一个非常复杂的迷宫，不带手机没有信息的交流，只能试错，走不通就反复再走，直到所有人全部走出来。

走迷宫示例图

如果是一个100比特的量子计算机去走同样的迷宫，就等于孙悟空拔出毫毛变出2的100次方个小猴子同时去找到出路；同时，这些小猴子不仅心有灵犀一点通（相互之间处于纠缠与叠加），尤其是具有波的相干相长、相干相消的特性。走不通的地方相干相消没了，走得通的地方相干相长省了很多计算的过程。这说明，从理论极限上讲，量子计算机能够展示出经典数字计算机无与伦比的强大算力。

几年前，世界经济论坛就预言了量子计算可能给人类命运方方面面带来巨大的变革，甚至把每个领域产值估值弄出来了。

各领域产值估值

为什么量子计算是大国科技竞争的制高点？这是政府投入的数据，从国际上的政府投入来看，可以看到，目前中国在量子计算领域的政府投入与西方的政府投入差不多，《经济学人》发过一篇文章说中国已经是科技强国之一了，这背后离不开政府的大力支持与资金投入。

目前，在企业融资方面，美国、欧洲大约是我们的几十倍。前不久有人说阿里、百度都纷纷退出量子计算了，是不是量子计算凉了？我认为，这是中美文化的差别，在中国，部分企业可能更倾向于追求短期内的快速回报与指数级收入增长。相比之下，国际上全部是头部企业牵引的，像谷歌、微软、IBM等，而且投资比中国大约高10倍，尽管政府层面的投资与国际上差不多，但在企业融资上就看出差别了，现在竞争是这样的格局。

在国际上，包括国内整个量子科技都在进行全链条布局，从底层设备的供应到上游的技术应用，这是国际上一个大的生态。深圳“20+8”产业规划量子也是其中的一个方面。 

量子科技产业生态

在金融领域的应用上，量子信息这一块将来和经典的计算机技术融合，就是“量超融合”，可能要两个融合起来、混合起来协同作业，特别是在保密通信方面，中国大国企已经入驻了，像中国电信已经成为国盾量子第一大股东，这些表明，目前我国在量子保密通信方面已经开始布局了。每个领域对量子计算带来的变革都有预期，但目前我们还是处于比较前期的阶段。

量子计算是解决特别复杂科学问题的一个有力工具，目前正处于AI助力量子计算的阶段，量子计算的前期，需要在AI的助力下不断壮大，当壮大一定程度以后，经历一次质的飞跃，转变为量子人工智能、量子学习等，能够真正提供算力的阶段。

量子计算机目前是解决特别复杂的科学问题的一个重大平台工具，然而，这一技术的进展对信息安全的挑战是实实在在的。回顾过去，图灵提出了计算机科学的理论框架，他通过破译德军密码，为二战盟军最后能够战胜德军立下功劳。同样，美国在二战期间也因成功破解日本太平洋舰队的密码而获得了战略优势。

当前，信息安全体系主要基于RSA密码，都是很大的密码，然而，历史经验告诉我们，再大的数字也会有被破解的一天。“10949769651859”这个数在九几年用当时最强大的计算机大约要用15万年的时间去破解，但1994年Shor提出了量子的大数分解算法，一秒钟破解了这个密码，因此，量子技术对现有密码体系的威胁是实实在在的。

20世纪80年代，美国提出量子计算机的概念以后，从来没有停止过研究，而我们国家最近十几年才开始研究，美国是否已经造出了能够破译我们量子密码体系的机器，这是一个未知数，尽管目前量子计算机的精度和规模还不足以立即破解所有类型的密码，但理论上存在的威胁不容忽视。

去年，清华某位教授说“无人驾驶扑面而来，将来几亿辆无人驾驶车就是几亿辆炸弹”，特别是当密码被黑客掌握，个人乃至家族的信息与日常作息规律被输进去，这个人除非永远不上网，否则安全岌岌可危。另外，包括高铁与核基地等面临的威胁是时刻存在的，这就是量子计算重要的原因。 

三、当前量子计算仍处于解决特定复杂物理问题的阶段

量子计算机是挑战人类操控微观世界极限能力的世纪系统工程。我们目前有一系列的量子计算机的平台/体系，有超导、硅基以及拓扑量子计算，现在没有人知道哪一个能够胜出。

我们需要深刻认识到“人人有责”不是重复建设，而是每一位科研工作者和从业人员将各自领域的单项技术做到极致、做成世界一流才有机会攻克量子计算的难关。

量子计算目前处在怎样的水平呢？我们刚刚跨过了 “量子优越性”的阶段，美国人称为“量子霸权”，但中国人不喜欢霸权所以叫量子优越性。量子霸权的英文是“Quantum supremacy”，量子优越性是“Quantum superiority”，证明量子计算机跟经典计算机相比，对特定的问题，量子计算机有无与伦比的算力优势。

具体来说，2019年谷歌第一个出厂的“悬铃木”量子处理器用53个量子比特成功展示了在统计问题上的量子优越性，随后，我国2020年的“祖冲之”超导量子体系，以及2021年推出的“九章”系列光量子计算机。特别是“九章三号”，在解决高斯玻色采样这一极具挑战性的问题上，展现出了量子计算机无与伦比的优越性。“九章三号”在执行高斯玻色采样任务时，仅用百万分之一秒便完成了计算，而这项任务若交由当前最强大的经典超级计算机来完成，预计需要200亿年。 但“九章”量子计算机尚不具备通用编程能力，因此无法直接应用于其他类型的问题，要一事一议，算完这个问题就不能用于解决别的问题了。因此，当前量子计算仍处于解决特定复杂物理问题的阶段。

今年两会上，中央提出要开辟量子信息技术的新赛道。深圳量子研究院始建于2016年底，到现在已经成为国家科技核心战略力量的一个南方支柱。2020年有三项成果成功入围了中国十大科技进展，2021年更是直接入选了中国十大科技进展。 

超导量子计算机－高集成度量子测控系统

上图是深圳超导量子计算机的样子，里面的真实情况是66个比特的芯片放在这个地方，通过各种各样的操控线路来控制它。66个比特都这么复杂了，如果600比特、6000比特呢？所以说，量子比特非常难。 

未来的超导量子计算机示例

去年的深圳量子研究院有个里程碑的工作是展示把五个量子芯片连接起来，《nature》说这个工作使量子网络起死回生，或者是赋予量子网络以生命。

2022年，深圳量子研究院还做了一项工作，被美国物理学会评为“十大年度亮点”工作，跟“激光点火”等入选了世界物理十大进展，这项工作基于光量子网络，首次以确凿的实验证据排除了以实数形式描述标准量子力学的可能性。

量子计算机现在处于什么阶段呢？尽管，量子计算机从理论来讲是2的N次方，且是呈指数增加的。但是，有两个因素在制约它，首先，量子比特之间的精确操控与协同工作是一大难题。这好比一个团队在进行复杂任务，每个成员（即量子比特）都需要严格按照指令行动，但由于量子系统的微妙与脆弱，即便是微小的偏差（如45度与44.9度的微小差异）也可能导致整个计算过程的失败。其次，量子信息的有效传递也是一大难题。这是目前非常难的问题。美国为什么敢于赌博，因为从物理原理来说没有任何问题，但技术工程挑战非常难，要每一步慢慢迭代，量子计算机大约处在这样一个阶段。

目前量子计算机单个比特执行命令的保真度正确性是0.99，发号施令的准确度也是0.99，跟经典计算比，错误率比它高12个量级，经典计算备份以后肯定不会出错，但是量子芯片会出错，所以量子计算机不纠错的话没有任何用处。而一纠错就会迎来新的错误，这个错误会越纠越错。

去年深圳量子研究院的工作就是解决这个问题，展示纠错后有了正增益，这一成果也入选了2023年度中国科学十大进展。纠错是当下量子计算研究中很重要的内容。

现在量子计算机是怎么用的呢？要有专用的量子计算机，别人有很复杂的问题让我们去解决，我们设计一个量子线路、集成一个量子的算法去解决这个问题，这种定制化的问题解决方案是不通用的。

因此，量子计算机处在一个刚刚过了量子优越性的阶段，如何通过有效的纠错策略来提升其计算稳定性和能力，如果错误率到了0.999999就可以做非常大、非常复杂的事情，现在只是在0.99、0.999的过程当中努力。 

四、量子计算任重道远，不要捧杀，也不要棒杀

党的二十届三中全会和今年两会的议题当中提到，我国在2035年建成科技强国，中国从政府投入来看，已经是科技强国了，跟美国差不多。但是缺乏原始创新，手机、电脑、高铁、飞机、光线、卫星等等，哪一样都不是中国人提出来的。日本人最近20年有20个诺奖，中国缺乏原始创新，没有一个技术的源头在我们这儿。

“卷”是我国缺乏创新最本质的表现，现在太阳能电池都是白菜价，包括锂离子电池的电动汽车全世界都围剿我们。马斯克讲的话我非常认同，真正的强者是永远垄断的，你遥遥领先在前面跑，永远是垄断的，只有弱者才会缺乏创新。“卷”是对创新的亵渎，我们目前缺乏的是原始创新。

过去，在科技评价体系中过于偏重论文发表，对工程技术和技术人才非常不重视，比如，能够看到原子的透射电子显微镜&冷冻电镜，获得了四个诺奖，而实际上，我们国家早在1964年，8分的纪念邮票就是纪念造出了200kV透射电子显微镜的，但后来人才丢失了、技术丢失了，导致这一领域未能延续。

还有一个文化是“宁为鸡头不为凤尾”，我的学生在美国，他说光刻机大约有220多万个零配件，他采购全球5000多家企业，每一个零配件都是世界最顶级的，只有每一个零配件做成世界一流才能集成有用的世界一流的系统。而量子计算机比光刻机复杂很多，现在都是争当“鸡头”，都在重复建设，不把单项技术做到世界一流的话，怎么能够做出能干的量子计算机。量子计算机需要各行各业的人协同作战，不是重复性建设。

量子计算从物理原理来讲肯定没有任何问题，前面已经展示了量子的优越性，对特定的问题量子计算机有无与伦比的算力优势，“九章3号”是200亿年对百万分之一秒的优势。而目前，量子计算机操控的精度处在比较前期，还需要不断地扩展、不断精确地调控，也要应用量子计算机，哪怕是数字的优化、超量的融合也要做的。还有加密技术也是需要的，包括精密测量等都在用。

当前，量子计算机过了优越性展示，要实现从专业的量子计算机到最后的通用量子计算机的飞跃，需要量子计算机每个企业把核心设备做到最极端，做成世界第一。然而，我国现有的工业机制面临挑战，若每个环节均需从头开始，将极大延缓创新进程。相比之下，美国等先进国家已建立起标准化的生产流程与高效的供应链体系，设计、采购与加工等环节高效协同，这正是我们在研发道路上亟待突破的困局。

我从两个维度诠释创新，第一，现在什么热做什么的跟班式研究，就是“卷”，当然卷也有好处，现在我们国家把高层次的文章做到世界第一了。如今应该是把冷板凳坐热，让别人跟着我们去做，第一个要从原始创新，要从坐冷板凳开始，把冷板凳坐热。

第二，追求极致、追求原创。把当下没用的技术做到极致就有可能得诺奖，如果把当下没用的技术做到有用就可能发财。三百六十行，行行出状元，没有什么高低贵贱，任何事业把它做到最极致就可以了，要追求极致，追求原创。

第三，注重应用、切忌玩弄“奇技淫巧”，量子计算机可能还有很多年的发展，不能等。中国发明了火药，西方人搞了《火药学》，设了炸药奖，这个炸药奖就是响当当的诺贝尔奖。要注重应用，任何东西得想着应用，如汤姆逊发现电子，即便在当时难以立即预见其具体应用，他仍坚信这一发现具有广阔的未来前景。

量子计算，路阻且远，不要捧杀，也不要棒杀，需要不断加强人才储备、努力打造量子信息技术生态链，让科学家去做科学家的事情，企业做好企业的事情。

量子计算，人人有责，只有每个人把自己的行业和领域做到极致、做成艺术品，才有可能制造出具有颠覆性算力的强大的量子计算机。

（整理者：林美丹。本文经俞大鹏院士审订）