科技耀京城系列讲座：量子计算 未来已来

转自：北京青年报

近日，在王府井书店四层读者阅读区内，举行了一场以量子计算为主题的科普讲座。主讲嘉宾中国科学院计算技术研究所研究员、量子计算与算法理论实验室主任孙晓明，向公众讲解量子计算的相关内容，并为听众答疑解惑。

作为深耕量子计算领域20多年的一线科研人员，孙晓明向公众普及了量子计算的基础知识、发展历史，并讲述了量子计算的应用场景和未来发展展望。

揭开量子计算神秘面纱一角

前几年有个网络流行语“遇事不决，量子力学”。这是一句调侃，指的是当事情中有说不通的部分时，利用一些高大上的科学理论比如量子力学来强行解释，给人一种虽然搞不懂，但又很厉害的感觉。这句调侃语与诺贝尔物理学奖得主费曼所说的“没人能够真正理解量子力学”不谋而合。2022年诺贝尔物理学奖同样授予了三位研究量子物理的科学家。量子计算是量子信息科学的一个研究方面，而另外两个研究方面分别是量子通信和量子精密测量。

在介绍量子计算前，孙晓明先向大家解释了量子：“《科普中国》上关于量子的明确定义，即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，最小单位被称为量子。”

“量子计算利用量子力学的基本原理，把量子叠加、量子纠缠等特性用起来，从而提升计算效率。目前，它在一些特定计算问题上已经展现出了超越经典计算机的强大计算潜力。”

孙晓明随即举例说明，“经典计算只有0和1两个比特，它本来是不相关的，但是如果我们画一个直角坐标系，把0当做x轴，把1当做y轴，那么在这个直角坐标系里，除了0和1，它还包含很多的点。”量子力学的基本假设是，这里面几乎所有其他点都是一个合法的量子态。

经典计算机采用0和1的二进制计算，而量子的计算单元可以同时既是0又是1，经典计算机一次只能尝试一条路径，而利用量子力学特性的全新计算模型可以一次探索多条路径。前不久潘建伟院士在“世界量子日”发表的《百年量子，量子信息方兴未艾》一文中也提到，量子计算提供了一种从根本上实现并行计算的思路，具备极大的超越经典计算机运算能力的潜力。

大咖分享量子计算未来趋势

严谨、谦逊，是孙晓明留给观众的第一印象。尽管已深耕量子计算领域二十载，甫一开场，孙晓明第一句话便是“我个人对量子计算的认知可能不一定很全面，或者说有一些也不一定很准确，有不当的地方还请大家批评指正”。

孙晓明曾凭借在解决量子算法复杂性和密码协议复杂性中的理论难题等方面的贡献，荣获2021年度王选杰出青年学者奖。“王选杰出青年学者奖”是由北京大学、中国计算机学会和中国工业与应用数学学会每年联合评选出在计算机和应用数学领域中自主创新和应用成果极为突出的杰出青年学者，两个领域分别仅有一个获奖名额。

讲座中，孙晓明向公众推荐了《量子计算与量子信息》这本书，他介绍说这是他和5位同行一起，花了3年时间翻译的。该书英文版系统全面地介绍了量子计算和量子信息领域的基本概念和原理、核心思想和技术，是量子信息领域及物理领域被引用次数最高的图书之一。这本书是全球许多高校量子计算课程的教材，也非常适合对量子计算和量子信息感兴趣的学习者阅读。

量子计算是一个新兴的、不断快速发展的领域。除了量子算法、量子网络、量子AI、量子编程语言，现在还有量子货币、量子存储、量子模拟等。事实上，就像“地理大发现”一样，量子计算研究领域也非常广阔，而且几乎所有重要的问题答案就是未知的，发展潜力非常巨大。

整场讲座，孙晓明从量子计算的数学模型与基本原理入手，详细介绍了量子计算的发展历史、近期各国取得的一些重要研究进展，以及量子计算的一些潜在应用场景，例如量子化学模拟、组合优化、交通优化、图像识别的精确性提升和金融算法方面的优化。但他一再强调，这些都需要结合算法的突破来实现。“比如量子计算机的‘加速’，并不是说造出来的量子计算机硬件比经典计算机速度快。目前像Shor算法、Grover算法这些我们能够看见理论上实现加速的，都是因为背后有算法在支撑。所以想要在（量子计算机）或者其他潜在领域发挥出量子计算的优势来，还需要有算法上的一些突破。”

我国量子计算事业成就斐然

作为一名专业的研究员，孙晓明在科普“量子计算”时表述十分严谨，但他对于量子计算的发展前景持积极乐观态度，“大约5年前，图灵奖得主姚期智教授曾经在演讲中提到，他认为计算机领域下一个革命性的方向，在软件方面是人工智能，在硬件方面是量子计算。”孙晓明认为，人工智能在过去的两三年，特别是过去一年间取得了非常重大的突破。事实上，量子计算领域过去5年间也有飞速的发展，比如我国中科大的潘建伟院士带领的团队在超导量子计算方向取得了重大突破。

据报道，潘建伟院士带领的团队在2021年5月成功构建了62超导量子比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在该系统上成功进行了二维可编程量子行走的演示；2021年10月，构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解，求解速度比富岳号超级计算机快1000万倍以上。在光量子体系，255光子的“九章三号”成功研制，计算能力刷新世界纪录，实现了“量子计算优越性”。

“我国量子计算领域在国际上处于第一梯队。”孙晓明平静地说，同时他补充说，我国在量子计算领域已经做出了许多努力，但目前仍然无法很精确地预测量子计算何时能够像人工智能一样走入我们的生活，因为前沿性研究具有不确定性和未知性。他进一步补充道：“所以只有我们大家齐心协力，不断地去努力探索，那么才可能会看到量子计算真正进入人们生活的那一天。”

科普讲座现场观众互动热烈

量子计算作为物理学中一个专业性强、理论逻辑复杂的领域，面向公众科普工作存在一定的难度，孙晓明将其中繁杂的数学模型简化，以通俗易懂的方式呈现，并辅以具体案例。讲座现场以成年人居多，也有背着书包带着笔记本的小观众。在答疑互动环节，孙晓明一再肯定听众提问的高质量，并耐心地回答每一个问题。

带着笔记本前来的小观众提问“量子不是一个实质存在的物吗？”孙晓明回答说，量子代表的是一种不可再分的最小单位，而所谓最小单位“不是在形态上，而是在物理量上的最小的单位”，“我们以前认为牛顿定律是支配着整个世界的规律，但是有了相对论之后，我们发现牛顿定律可能并不是支配整个世界最精确的规律。但我们在现实世界其实很难看到相对论效应，因为通常物体的运动速度远低于光速。相对来说量子效应也是一样，在现实中宏观尺度下，量子效应也是很难被看到的。”

有位听众询问孙晓明对当下流行的“量子纠缠”的看法，孙晓明说：“我们经常会打这样的比喻，就是说两个人心有灵犀，不管距离有多远，他们彼此之间似乎有一种心灵感应。在物理学中，这指的是一个粒子呈现出某种状态，譬如电子自旋朝上，那么另一个电子自旋也是朝上的。当然这件事情听上去很不可思议，但是事实上物理学家已经从实验上去证实了这一点。去年诺贝尔物理学奖的获奖工作就是从实验上验证了量子力学违背贝尔不等式的结论。”同时，他也表示“整个量子理论体系还存在着可以进一步完善的地方”。

最后，关于听众提出的AI和量子计算如何结合的问题，孙晓明告诉读者，目前确实有人工智能的一个子方向叫量子机器学习，“我个人觉得它可以跟机器学习有很好的结合，但是量子计算跟大模型，特别是大语言模型，是不一样的。现在大语言模型基本上是生成一个序列，某种意义上它像一个串行的计算，而量子擅长的是并行的事情，它对神经网络可能可以做一些优化，但是在这种大语言模型上可能不一定擅长，至少从我个人来看，现在还没有找到很好的点去将二者结合。”

此次活动面向公众，参与活动的一名中学生表示，老师讲得“很给力”，他说：“我们老师说量子力学比较复杂，但我喜欢，就想来听听。”他向记者展示了自己的笔记，这名中学生是由父亲陪同而来的，他的父亲在一旁补充说：“讲座很有意思。本来我对量子物理领域一窍不通，但是现在觉得量子物理很厉害，我想这个领域前景一定很好。”

文/刘晨

责任编辑：张元(EN003)