我們經常說“不自量力”，
就是說你不要自學量子力學。
範桁·中國科學院物理研究所研究員
格致論道第112期｜2024年6月1日 北京
大家好，我是範桁。我今天的題目是《如果你擁有一臺量子計算機》。
大家現在看到的是一張非常有趣的圖。這張圖裡有一個人在滑雪，但是他滑雪的軌跡非常奇怪，我們不知道他到底是從樹的左邊還是從樹的右邊過去的，甚至會覺得他是從樹的兩邊過去的。
這種現象在我們平常的生活裡顯然是不可能出現的，但是在量子的世界裡這種現象非常常見。量子有一些非常奇妙的性質，大家可能聽過，叫量子疊加、量子糾纏、量子干涉等等。我們經常說“不自量力”，就是說你不要自學量子力學，因為它有一些現象和我們日常生活經驗不相符。
為什麼需要量子計算機
既然量子這麼奇妙，我們是不是可以用它做點什麼呢？確實是可以的。
▲左：一個經典位元
右：一個量子位元
我們現在用的計算機非常方便，計算機最小的資訊載體就是所謂的位元，位元就是0和1了，可以對應地球的南極和北極。但如果我們有一個量子態，再加上其餘的性質，那地球不止是南極和北極，整個球面都可以作為對應的量子位元的資訊載體。所以量子位元很顯然比經典位元包含的資訊要更多。因此，我們就希望做一個量子計算機。
量子計算機是一個什麼東西呢？大家也不用想得太複雜，量子計算機就是一個計算機，只不過最底層的原理利用了量子。最終它也是為了解決問題，為我們人類服務的。
量子計算機有一些非常好的特點。比如當我們有4個位元時，總共就有16種狀態，這在經典計算機裡就需要把16種狀態全部都列出來，但是每一次只 能有一種狀態。 而量子計算機能同時具有這16種狀態，只不過它有不同的機率。
所以這樣的話，量子計算機可以說是威力呈指數增長的一個非常複雜的機器。簡單地說，增加一個量子位元，就相當於把計算機算力增加了一倍，因此它的發展前景非常好。好在什麼地方？它具有天然的並行的能力。
▲圖片來源：知乎@蘇羽
天然的並行的能力指的是，比如我們要走一條路，走一條途徑。經典計算機一般要把各種各樣的情況都試一下，都計算一遍，然後得出正確答案。但是量子計算機可以利用量子的疊加性、量子的相干性、量子糾纏這些性質，一次就把這些不同的狀態全部試一遍，然後在非常多的狀態裡發現正確答案。
既然量子計算機有這些神奇的性質，那能解決一些什麼問題？實際上物理學家早都想過了。
一個叫費曼的著名美國物理學家他就想到了。他說，我們這個世界是量子的。因為我們的世界是由原子、電子這些構成的，而微觀的世界遵循量子力學的原理。那麼，用經典世界所用的這些技術來研究量子的系統，很顯然這個方法不太對。如果我有一臺量子的計算機，用它研究量子的世界很顯然就會容易很多。我們就可以計算一些非常複雜的問題。
所以，費曼提出我們需要一臺量子計算機。早在1981年，他就提出了量子計算機的概念，是最早期的量子計算機概念的提出者之一。
用量子計算機來解決量子的問題顯然非常好。但是我們平常生活中沒有那麼多的量子問題需要解決，那是不是量子計算機就沒有用處了？它能不能解決我們平常生活中的問題呢？
在1994年的時候，彼得·肖爾（P. Shor）就提出，量子計算機可以解決某個特定的問題。這個特定的問題是什麼呢？它和我們平常的生活密切相關，就是我們日常生活中銀行所用的保密體系，叫做RSA的密碼系統，現在網際網路也經常會用到它。這個密碼體系的安全性在於兩個質數把它們乘起來，我只知道它最後的乘積，但是我們不知道它到底是哪兩個質數乘起來的。
舉個簡單的例子，比如11乘以13就等於143。但是它只給你143，然後讓你來找這兩個質數到底是誰。我們想破解，一般就要一個一個來試，直到找到11這個數字。但是對於非常大的兩個質數的乘積，想找到這兩個質數是非常難的，如果你真的要一個一個算需要幾百年，這樣的密碼體系就是安全的。
但是肖爾提出了一個非常有意思的量子演算法。他說，這個問題用經典計算機可能需要幾百年，但是用量子計算機在1分鐘內就能把你的密碼破解了。
所以肖爾提出了這個概念之後，他的很多朋友都給他打電話，問他，我存在銀行的錢到底還安全不安全。肖爾就告訴他們，破解密碼有個大前提，就是要有一臺量子計算機，但是我們現在還沒有量子計算機。如果真的有的話，我們現在的這個密碼系統就可以被輕鬆地破解。
量子計算機可以破解密碼，也可以做一些其他的我們過去認為非常複雜的事情。對量子計算機來說，這些事可能非常簡單。所以，我們就需要去建造量子計算機。
造一臺量子計算機
已完成：30%//////////
那麼，怎麼來造一個量子計算機？經典計算機開始的時候是用電子管造成的。造成後當時的人們進去一看，好複雜的一個計算機。但是現在就發展得非常好，用的是電晶體。
量子計算機現在也是這樣，我們也不知道怎麼來造量子計算機，所以大家提出了很多方案。比如超導量子計算機，就是讓一個晶片處於超導態，然後用它的量子態操控來做計算。還有光量子計算機，就是我們用鐳射做成光量子作為量子計算機，或者離子阱，“囚禁”離子和中性原子等等，這些都是量子計算機制造的備選途徑。
但是，到底量子計算機的哪種技術路線最後會勝出，大家還在試驗中，現在我們也很難說清楚。我們中國科學院物理研究所在這方面始終堅持的是超導量子計算機。
想製造超導量子計算機，我們要用一個非常低的溫度。低到什麼程度呢？低到比絕對零度只高1%度，也就是10毫開。
物理所在這方面有非常好的研究基礎。在2004年，我們就成立了固態量子資訊與計算實驗室，我現在就是這個實驗室的主任。
超導量子計算機實際上也發展了很長一段時間。由於我們物理所在超導量子計算方面有一些非常好的積澱，培養了很多人才，現在全國各地有好幾個超導量子計算的團隊負責人都是從物理所培養出來的。我們也經常說，物理所是我們國家超導量子計算的“黃埔軍校”。
我們在2011-2012年就製造出了一個單位元的量子晶片，也做出了超導量子測控系統。但很顯然這還不夠，所以我們需要把量子位元數增大。
後來在2019年，我們就做出了20位元的量子晶片。這個量子晶片就像是一枚指甲蓋大小的晶片，只不過它具有量子的效應，當然它需要在極低溫度下工作。
我們用這個量子晶片也做出了非常好的世界級成果，在當時重新整理了量子糾纏的世界紀錄。我們還做出了“薛定諤的貓”態，它具有特別奇特的性質。
讓人人都能用的“量子云”
已完成：50%//////////
我們有了一臺量子計算機，也從1位元增長到20位元，但我們覺得還是不太夠。因為很多人都說，我也想用你的量子計算機，但是你只有一臺，能不能把它連上網際網路，讓所有的人都來用？
而且考慮到量子計算機將來的應用，我們最後還是要把它放在雲端，放在網際網路上，讓所有的人都可以使用量子計算。這就是我們建造量子計算雲平臺的基礎想法，就是要把一臺計算機聯網，讓大家都用起來。
建造量子計算雲平臺的過程還是非常辛苦的，左邊這張照片是在五一勞動節的時候拍的，那時大家都還在工作。
▲左：中關村實驗室右：懷柔實驗室
我們也是從一無所有開始建設實驗室，最終建成了世界先進的量子計算雲平臺。
▲2024“夸父”量子計算雲平臺上線
我們把量子計算雲平臺稱為“夸父”（Quafu）。“夸父”是什麼呢？Quantum Future，就是量子未來。同時，夸父又對應了神話中追日的夸父，所以這有兩層的含義。
“夸父”量子計算雲平臺的結構也很簡單。最底層是我們的量子晶片；跟建造一個計算機一樣，我們還要有主機板，有電子裝置和作業系統；但有作業系統還不夠，我們還是希望所有的人都能用它，所以我們又建立了客戶端，讓大家可以用手機或者電腦上網；但是這些也不夠，因為我們的計算機還要用到搜尋、購物、體育等等功能，所以上邊還要有生態系統。所以我們就建造了量子計算的生態系統，利用“夸父”量子計算雲平臺做科研、做一些基礎研究、做一些天氣預報、生物製藥等等工作。
但是這些我們都還在測試。不是真的把它用起來，而是先測試能不能用。如果能用，那就繼續用；如果不成，我再測試別的。為什麼呢？要等到一哄而上都去用的時候，我們再來做就喪失先機了。所以我們也是基於長遠發展的考慮來建設“夸父”雲平臺的。
“夸父”雲平臺的結構怎麼做呢？就像我剛才說的，全世界的科學家、年輕人、或者高科技公司，用電腦上網就可以連上“夸父”雲平臺，來提交他們的量子計算任務，我們把它送到量子晶片上做完之後，再透過網路返回結果。
這個雲平臺具體是怎麼做的呢？實際上它的背後還有非常多的工作，這些工作也和我們計算機是一樣的。比方說提交一個任務，然後要進行編譯，編譯之後最佳化，最終要進行實驗，也就是要進行計算，計算完了之後返回結果。這樣它就構成了一個量子計算執行某種任務的閉環，就能用起來。
這裡有一個影片向大家展示。比如要做一個量子計算的任務，我們可以看到這要用到量子的邏輯閘。經典計算機要執行需要用3種不同的邏輯閘，就是或、與、非邏輯閘，所有的計算就都可以進行。量子計算機也是一樣的，我們要用到量子的邏輯閘。量子的邏輯閘構成之後的執行速度是非常快的，一秒鐘就可以給出結果。最終它算完了，給出了影片中這個結果。當然大家可以看到，目前還是隻有專業的使用者才能知道它到底算的是什麼。
與傳統計算機融合在一起
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現在我們的雲平臺執行還是非常好的，大概有3500個以上的註冊使用者，提供的量子計算的服務已經超過200萬次了。這些任務都來自全世界的科學家，總共有來自30多個國家的使用者。
這些數字體現出我們目前處於領先地位，是非常好的。我們基於這個雲平臺也發表了很多高水平的科研論文。可以說，這個平臺起到了我們剛開始想的把它先用起來的作用，這是一個基礎。
我們的雲平臺建設成功之後，在2023年5月作為十大重大創新成果在中關村論壇釋出。之後我們也還一直在上面工作，又上架了曙光智算雲系統，希望能吸引更多的人來使用。我們也寫了一些小的軟體，比方說量子金融，就是利用組合最佳化看看能不能解決金融方面的一些問題。
大家還是非常認真地在做，爭取要把這個雲平臺做成一個有用的平臺。在2024年4月的中關村論壇上，我們又釋出了更新版的量子計算雲平臺，也是作為重大成果釋出。這個創新成果叫“夸父”量子云算力叢集。
這樣看來，我們在量子計算算力系統方面做出了比較好的工作。但大家就會覺得，你這個說來說去好像是自娛自樂，現在大眾還是沒用上。那將來量子計算機究竟會怎麼用呢？
我們期望的將來是這樣的：量子計算機並不是要取代現有的計算機，而是作為現有計算機的一種補充、一種升級。最終量子計算機提供的服務會和經典計算機的算力全部融合在一起，提供一個量子算力給我們。
比如以現在的人工智慧為例，目前的超級計算機可能就不足夠，它需要一些GPU（圖形處理器）的幫助才能把這個大模型做得更好。所以將來我們的量子算力可能不但是CPU（中心處理器），還得是GPU、TPU（張量處理器），我們都需要量子的處理器。這樣的量子算力會和現有的算力結合起來，得到更先進的算力。
最後請讓我做個廣告。今天演講的題目是《假如你有一臺量子計算機》，那我現在告訴大家，不用再假如了，我們現在的“夸父”量子云算力叢集大家都可以用，免費的。
現在我們的規模也非常大。我們有13顆量子晶片在線上可以供大家使用，這個規模在世界上處於第一梯隊，是世界第二，僅次於IBM。但IBM使用一分鐘就要100美元，我們這個免費，大家都可以來用它。圖片底下就是量子云算力叢集的網址，大家都可以上去登入，建造自己的量子計算機。
我的報告就到這裡，謝謝大家！
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展，由中國科學院計算機網路資訊中心和中國科學院網路安全與資訊化辦公室主辦，中國科普博覽(中國科學院科普雲平臺)提供技術支援。歡迎關注格致論道官網: self.org.cn，微信公眾號: SELFtalks，微博: 格致論道。
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