陆朝阳教授谈量子计算的产业泡沫：在乐观和不切实际之间，要有一条清晰的界限

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对于关心前沿科技发展的朋友们来说，“九章”二字，指的早已不仅仅是我国古代的数学专著，更代表我国在量子计算方面屡次刷新的世界纪录。“九章”的第一代原型机诞生于2020年12月，处理高斯玻色样问题比当时最快的超级计算机“富岳”快5个数量级。而2023年10月诞生的“九章三号”，处理高斯玻色采样的速度甚至比“九章二号”提升了整整一百万倍。

在我国量子科技稳扎稳打向前推进的同时，对于量子计算的产业前景，大家看法并不一致：有人高歌猛进，有人谨慎甚至悲观。那么，作为开展量子研究的科学家、“九章”系列量子计算机主要负责人之一的陆朝阳教授，他有怎样的看法呢？2024年墨子沙龙首场活动，陆朝阳教授以“量子光舞“为题，分享了他的观点。活动由中国科大印娟教授主持。

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“二次量子革命”同样激动人心

“量子离我们并不遥远，量子一直在我们身边，”陆朝阳介绍说，“量子力学诞生已经超过120多年，它直接或者间接地催生了包括晶体管、激光、核磁共振等等一系列的技术，深刻改变了我们的生活。”

陆朝阳首先简单介绍了量子基本概念以及“第一次量子革命”的精彩纷呈。量子是组成物质和能量的一个最基本的单位。在微观的量子世界里，有一些与宏观世界完全不同的规律。宏观世界中，已知确定的初始状态和条件，会得到确定的结果。而在量子力学中，粒子的位置、轨迹都遵从一定的概率分布。量子力学允许一个物体可以同时处于多种状态——即量子叠加，众所周知的思想实验“薛定谔的猫”就是量子叠加的生动阐述。

那么，量子叠加和测量塌缩究竟是“上帝掷骰子”，还是如爱因斯坦所说，是由于存在我们还未发现的隐变量呢？针对这个问题，上个世纪，科学家们展开激烈争论，而在1935年被爱因斯坦称为“遥远地点之间的诡异互动”的量子纠缠，今天还在启发着科学家对物理前沿的思考。

随着对这些问题的讨论从哲学层面的争论，渐渐变为可以在实验中验证的结果，量子力学的面目渐渐清晰，量子信息科学迎来了黄金时代。

随着实验科学的进步，人们不仅可以被动的观测很多物理现象，甚至开始主动在实验室产生、操纵单个以及多个粒子的纠缠。“第二次量子革命”的大幕就此展开。

所谓“第二次量子革命”，主要是指利用量子调控与量子信息的方法，突破信息和物质科学技术的经典极限，在安全通讯、超快的计算，以及精密测量等方面引领的一系列技术革命。

我国科学家于2016年发射的首颗量子科学实验卫星“墨子号”，已经实现了千公里量级的量子通信相关实验，并作为重要工作被2022年的诺贝尔物理学奖引用。

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量子计算风起云涌

陆朝阳教授是一个铁杆金庸和周星驰迷，在他的报告里面，经常把从事科研的过程和武侠情景对应起来，并使之容易被观众理解。在他看来，在量子计算方面的不断精进就像对更高级武功的不懈追求一样，永无止境、充满挑战。

陆朝阳回顾说，得益于Feynman, Deutsch, Shor等科学家的工作，量子计算理论框架已经基本建立，当今科学前沿的一个最重大的挑战在于“找到一种能够制备量子比特，并且对它进行高精度的操纵，进而可以大规模集成的一种体系。”

要实现这样的目标，科学家认为，需要分为四个阶段：量子算法的原理演示、对特定问题超越经典计算机、有应用价值的专用量子模拟机、容错通用的量子计算机。早在2016年，美国加州理工和谷歌都曾分别发布了量子计算优越性的相关计划。谷歌的首席科学家John Martinis甚至多次在报告里用“量子太空竞赛”来形容这场国际竞争的重要意义。

其中，在特定问题上超越经典的计算机，意味着量子计算实验从纯演示性到真正展现算力的相变点，因此曾被看作“量子霸权”。在特定问题上的求解超越超级计算机，包括两个算法，一是用光子来实现玻色取样，另一个是随机线路取样。值得欣慰的是，我国已成为唯一在这两个技术路线上都实现了量子计算优越性的国家，进入国际量子计算第一方阵。

利用光子体系，中国科学技术大学的科学家在国际上起步较早，而“九章”的诞生，就是步入第二阶段的标志。

“九章”包括量子光源、量子干涉线路和探测三个部分，设计之初，陆朝阳和同事就意识到，必须深入研究这三部分的物理问题、挖掘物理系统的潜力，才能将指标做到最好。通过多年的努力，团队发展出高效率、高全同性、可扩展的量子光源、高透过率多模多光子干涉、高精度锁相技术、以及高效率的探测技术，终于令结果到达了从量子计算原理性演示性实验到经典算力无法模拟的高复杂度量子计算的拐点，使我国首次成功达到“量子计算优越性”里程碑。

而去年诞生的“九章三号”，不仅规模指数级增加，还利用时空解复用技术，实现了光子数的可分辨探测，计算复杂度大大提升。下一步，大于3000个光子的“九章四号”计划于2024年推出。

可以说，不论国内还是国际上，量子计算领域都进入了加速阶段。

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正确理解“通用”的意义，警惕不切实际的泡沫

众所周知，量子计算下一步的目标，就是要发展有专门的应用价值的量子模拟机。活动中，陆朝阳表达了他对这个目标的一个理解：“量子计算机的发展可以类比于激光——激光发明之后，我们生活中还是会用普通的日光灯和LED，但是激光会用在日光灯和LED都不能够胜任的那些高科技工作上。同样的，量子计算机产生之后，会被用来完成一些经典计算机所不能够胜任的任务，而不是用来打游戏和看电影。量子计算机最擅长的事情，还是本身和量子力学联系紧密的数学、物理、化学问题。基于这种想法，我们进行了演示分数反常量子霍尔效应、实数量子力学检验实验、探究图论问题等等尝试，并取得了有趣的结果。”

说到量子计算的第四步——容错通用的量子计算，陆朝阳教授认为，存在着巨大的实验挑战。目前，即使在小规模的情况下，受限于量子态的错误，计算精度都会大受影响。如何纠正错误、保护量子态，这是量子计算最大的挑战，没有之一。

目前，为了解决这些问题，离子阱、超导和中性原子体系都在进行尝试，均展现出各自的一些潜力，也面临着巨大的挑战。

陆朝阳教授认为，从历史上看，一个过于悲观或者过于乐观的情绪，对一个领域的发展都可能是不利的。“目前，一些初创公司在宣传量子技术的时候，都涌现出很多不靠谱的概念，这样的现象，在国内和国外都比较普遍。”

陆朝阳最后引用了John Preskill的报告：“想要做成一件非常伟大的事情，我们是需要对未来保持乐观的。但是在设定有雄心的目标和散发不切实际的期望之间，是需要有一条清晰的界限的。从长远上来说，我们需要尊重这条界限”。他说：“量子计算还处于基础科学研究阶段，应避免产业泡沫带来的负面影响，抓住真正带来算力优势的量子计算发展机遇。”

最后，陆朝阳教授表达了对于青年学子的期待——“未来的量子计算属于年轻人，走过路过，不要错过。”

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