我们经常说“不自量力”，
就是说你不要自学量子力学。
范桁 · 中国科学院物理研究所研究员
格致论道第112期｜2024年6月1日 北京
大家好，我是范桁。我今天的题目是《如果你拥有一台量子计算机》。
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大家现在看到的是一张非常有趣的图。这张图里有一个人在滑雪，但是他滑雪的轨迹非常奇怪，我们不知道他到底是从树的左边还是从树的右边过去的，甚至会觉得他是从树的两边过去的。
这种现象在我们平常的生活里显然是不可能出现的，但是在量子的世界里这种现象非常常见。量子有一些非常奇妙的性质，大家可能听过，叫量子叠加、量子纠缠、量子干涉等等。我们经常说“不自量力”，就是说你不要自学量子力学，因为它有一些现象和我们日常生活经验不相符。
为什么需要量子计算机
既然量子这么奇妙，我们是不是可以用它做点什么呢？确实是可以的。
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我们现在用的计算机非常方便，计算机最小的信息载体就是所谓的比特，比特就是0和1了，可以对应地球的南极和北极。但如果我们有一个量子态，再加上其余的性质，那地球不止是南极和北极，整个球面都可以作为对应的量子比特的信息载体。所以量子比特很显然比经典比特包含的信息要更多。因此，我们就希望做一个量子计算机。量子计算机是一个什么东西呢？大家也不用想得太复杂，量子计算机就是一个计算机，只不过最底层的原理利用了量子。最终它也是为了解决问题，为我们人类服务的。量子计算机有一些非常好的特点。比如当我们有4个比特时，总共就有16种状态，这在经典计算机里就需要把16种状态全部都列出来，但是每一次只能有一种状态。而量子计算机能同时具有这16种状态，只不过它有不同的几率。所以这样的话，量子计算机可以说是威力呈指数增长的一个非常复杂的机器。简单地说，增加一个量子比特，就相当于把计算机算力增加了一倍，因此它的发展前景非常好。好在什么地方？它具有天然的并行的能力。天然的并行的能力指的是，比如我们要走一条路，走一条途径。经典计算机一般要把各种各样的情况都试一下，都计算一遍，然后得出正确答案。但是量子计算机可以利用量子的叠加性、量子的相干性、量子纠缠这些性质，一次就把这些不同的状态全部试一遍，然后在非常多的状态里发现正确答案。既然量子计算机有这些神奇的性质，那能解决一些什么问题？实际上物理学家早都想过了。一个叫费曼的著名美国物理学家他就想到了。他说，我们这个世界是量子的。因为我们的世界是由原子、电子这些构成的，而微观的世界遵循量子力学的原理。那么，用经典世界所用的这些技术来研究量子的系统，很显然这个方法不太对。如果我有一台量子的计算机，用它研究量子的世界很显然就会容易很多。我们就可以计算一些非常复杂的问题。所以，费曼提出我们需要一台量子计算机。早在1981年，他就提出了量子计算机的概念，是最早期的量子计算机概念的提出者之一。用量子计算机来解决量子的问题显然非常好。但是我们平常生活中没有那么多的量子问题需要解决，那是不是量子计算机就没有用处了？它能不能解决我们平常生活中的问题呢？在1994年的时候，彼得·肖尔（P. Shor）就提出，量子计算机可以解决某个特定的问题。这个特定的问题是什么呢？它和我们平常的生活密切相关，就是我们日常生活中银行所用的保密体系，叫做RSA的密码系统，现在互联网也经常会用到它。这个密码体系的安全性在于两个质数把它们乘起来，我只知道它最后的乘积，但是我们不知道它到底是哪两个质数乘起来的。举个简单的例子，比如11乘以13就等于143。但是它只给你143，然后让你来找这两个质数到底是谁。我们想破解，一般就要一个一个来试，直到找到11这个数字。但是对于非常大的两个质数的乘积，想找到这两个质数是非常难的，如果你真的要一个一个算需要几百年，这样的密码体系就是安全的。但是肖尔提出了一个非常有意思的量子算法。他说，这个问题用经典计算机可能需要几百年，但是用量子计算机在1分钟内就能把你的密码破解了。所以肖尔提出了这个概念之后，他的很多朋友都给他打电话，问他，我存在银行的钱到底还安全不安全。肖尔就告诉他们，破解密码有个大前提，就是要有一台量子计算机，但是我们现在还没有量子计算机。如果真的有的话，我们现在的这个密码系统就可以被轻松地破解。量子计算机可以破解密码，也可以做一些其他的我们过去认为非常复杂的事情。对量子计算机来说，这些事可能非常简单。所以，我们就需要去建造量子计算机。那么，怎么来造一个量子计算机？经典计算机开始的时候是用电子管造成的。造成后当时的人们进去一看，好复杂的一个计算机。但是现在就发展得非常好，用的是晶体管。量子计算机现在也是这样，我们也不知道怎么来造量子计算机，所以大家提出了很多方案。比如超导量子计算机，就是让一个芯片处于超导态，然后用它的量子态操控来做计算。还有光量子计算机，就是我们用激光做成光量子作为量子计算机，或者离子阱，“囚禁”离子和中性原子等等，这些都是量子计算机制造的备选途径。但是，到底量子计算机的哪种技术路线最后会胜出，大家还在试验中，现在我们也很难说清楚。我们中国科学院物理研究所在这方面始终坚持的是超导量子计算机。想制造超导量子计算机，我们要用一个非常低的温度。低到什么程度呢？低到比绝对零度只高1%度，也就是10毫开。物理所在这方面有非常好的研究基础。在2004年，我们就成立了固态量子信息与计算实验室，我现在就是这个实验室的主任。超导量子计算机实际上也发展了很长一段时间。由于我们物理所在超导量子计算方面有一些非常好的积淀，培养了很多人才，现在全国各地有好几个超导量子计算的团队负责人都是从物理所培养出来的。我们也经常说，物理所是我们国家超导量子计算的“黄埔军校”。我们在2011-2012年就制造出了一个单比特的量子芯片，也做出了超导量子测控系统。但很显然这还不够，所以我们需要把量子比特数增大。后来在2019年，我们就做出了20比特的量子芯片。这个量子芯片就像是一枚指甲盖大小的芯片，只不过它具有量子的效应，当然它需要在极低温度下工作。我们用这个量子芯片也做出了非常好的世界级成果，在当时刷新了量子纠缠的世界纪录。我们还做出了“薛定谔的猫”态，它具有特别奇特的性质。我们有了一台量子计算机，也从1比特增长到20比特，但我们觉得还是不太够。因为很多人都说，我也想用你的量子计算机，但是你只有一台，能不能把它连上互联网，让所有的人都来用？而且考虑到量子计算机将来的应用，我们最后还是要把它放在云端，放在互联网上，让所有的人都可以使用量子计算。这就是我们建造量子计算云平台的基础想法，就是要把一台计算机联网，让大家都用起来。建造量子计算云平台的过程还是非常辛苦的，左边这张照片是在五一劳动节的时候拍的，那时大家都还在工作。我们也是从一无所有开始建设实验室，最终建成了世界先进的量子计算云平台。我们把量子计算云平台称为“夸父”（Quafu）。“夸父”是什么呢？Quantum Future，就是量子未来。同时，夸父又对应了神话中追日的夸父，所以这有两层的含义。“夸父”量子计算云平台的结构也很简单。最底层是我们的量子芯片；跟建造一个计算机一样，我们还要有主板，有电子设备和操作系统；但有操作系统还不够，我们还是希望所有的人都能用它，所以我们又建立了客户端，让大家可以用手机或者电脑上网；但是这些也不够，因为我们的计算机还要用到搜索、购物、体育等等功能，所以上边还要有生态系统。所以我们就建造了量子计算的生态系统，利用“夸父”量子计算云平台做科研、做一些基础研究、做一些天气预报、生物制药等等工作。但是这些我们都还在测试。不是真的把它用起来，而是先测试能不能用。如果能用，那就继续用；如果不成，我再测试别的。为什么呢？要等到一哄而上都去用的时候，我们再来做就丧失先机了。所以我们也是基于长远发展的考虑来建设“夸父”云平台的。“夸父”云平台的结构怎么做呢？就像我刚才说的，全世界的科学家、年轻人、或者高科技公司，用电脑上网就可以连上“夸父”云平台，来提交他们的量子计算任务，我们把它送到量子芯片上做完之后，再通过网络返回结果。这个云平台具体是怎么做的呢？实际上它的背后还有非常多的工作，这些工作也和我们计算机是一样的。比方说提交一个任务，然后要进行编译，编译之后优化，最终要进行实验，也就是要进行计算，计算完了之后返回结果。这样它就构成了一个量子计算运行某种任务的闭环，就能用起来。
这里有一个视频向大家展示。比如要做一个量子计算的任务，我们可以看到这要用到量子的逻辑门。经典计算机要运行需要用3种不同的逻辑门，就是或、与、非逻辑门，所有的计算就都可以进行。量子计算机也是一样的，我们要用到量子的逻辑门。量子的逻辑门构成之后的运行速度是非常快的，一秒钟就可以给出结果。最终它算完了，给出了视频中这个结果。当然大家可以看到，目前还是只有专业的用户才能知道它到底算的是什么。现在我们的云平台运行还是非常好的，大概有3500个以上的注册用户，提供的量子计算的服务已经超过200万次了。这些任务都来自全世界的科学家，总共有来自30多个国家的使用者。这些数字体现出我们目前处于领先地位，是非常好的。我们基于这个云平台也发表了很多高水平的科研论文。可以说，这个平台起到了我们刚开始想的把它先用起来的作用，这是一个基础。我们的云平台建设成功之后，在2023年5月作为十大重大创新成果在中关村论坛发布。之后我们也还一直在上面工作，又上架了曙光智算云系统，希望能吸引更多的人来使用。我们也写了一些小的软件，比方说量子金融，就是利用组合优化看看能不能解决金融方面的一些问题。大家还是非常认真地在做，争取要把这个云平台做成一个有用的平台。在2024年4月的中关村论坛上，我们又发布了更新版的量子计算云平台，也是作为重大成果发布。这个创新成果叫“夸父”量子云算力集群。这样看来，我们在量子计算算力系统方面做出了比较好的工作。但大家就会觉得，你这个说来说去好像是自娱自乐，现在大众还是没用上。那将来量子计算机究竟会怎么用呢？我们期望的将来是这样的：量子计算机并不是要取代现有的计算机，而是作为现有计算机的一种补充、一种升级。最终量子计算机提供的服务会和经典计算机的算力全部融合在一起，提供一个量子算力给我们。比如以现在的人工智能为例，目前的超级计算机可能就不足够，它需要一些GPU（图形处理器）的帮助才能把这个大模型做得更好。所以将来我们的量子算力可能不但是CPU（中心处理器），还得是GPU、TPU（张量处理器），我们都需要量子的处理器。这样的量子算力会和现有的算力结合起来，得到更先进的算力。最后请让我做个广告。今天演讲的题目是《假如你有一台量子计算机》，那我现在告诉大家，不用再假如了，我们现在的“夸父”量子云算力集群大家都可以用，免费的。现在我们的规模也非常大。我们有13颗量子芯片在线上可以供大家使用，这个规模在世界上处于第一梯队，是世界第二，仅次于IBM。但IBM使用一分钟就要100美元，我们这个免费，大家都可以来用它。图片底下就是量子云算力集群的网址，大家都可以上去登录，建造自己的量子计算机。
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