“祖冲之号”量子计算总师：为什么我们要大力发展量子计算云平台？

在5月24日的智算云生态大会·量子信息论坛中，中国科学技术大学教授、博士生导师、"祖冲之号"量子计算原型机总设计师朱晓波教授应邀做主题报告。在报告中，朱晓波教授着重介绍了量子计算第一阶段——实现量子优越性的重要意义，以及超导量子计算机在量子优越性方面的进展。他表示：“如果一台量子计算机，连量子优越性都没有实现的话，它是没有任何可能提供真正的算力的。”

墨子沙龙将报告进行了整理，以飨读者。

首先，非常感谢能有这个机会讲一下量子计算投入最多，且是最受关注的方向，也就是谷歌IBM做的方向。我想介绍下量子计算发生了什么，我们的未来在哪里，现在有哪些问题，我们应该怎么走这条路。

现在为什么有量子信息学科？ 量子是物理学家研究世界的规律，我们发现粒子越来越小的时候，一个粒子不再可以分割，比如一个系统从第一能级到第二能级不存在半个能级的概念，物理学家在进入微观的体系时候，知道了我们的体系必须是量子的。量子引领了第一次量子革命，我们所熟知的半导体、激光、核磁等产业都必须基于量子力学的原理，这个阶段是被动利用量子力学的规律。

随着技术的发展，人类对物理体系理解到了非常高的高度，我们可以对单个离子进行有效的调控和测试，所以它带来全新的领域。更重要的是我们有量子计算模拟，我们用量子作为单元去计算，对某些问题有超强的计算能力，量子计算提供了革命性处理信息的方法，它是单量子的东西。

当然还有一块很大的量子精密测量。刚才说了，量子是不可再分的单元，测量再准最后会接近量子的极限，量子精密测量比通常意义的精密测量，准确度更高。

在量子信息领域有 三大方向 ，从发展阶段来说，量子通讯现在是最成熟的。量子计算是最艰辛的领域，我们还是处在原理的验证和真正把里面关键科学和技术问题解决的阶段。量子精密测量比较广泛，每个系统精密测量都可以分别做产业化。依赖不同的领域，有的量子精密测量走得很前面，已经有产品了，比如用单光子的雷达，可以探测云雾和天气，也可以探测墙后面各种信息，叫非视域的成像。总体来说每个分支有不同的发展情况，今天会着重介绍量子计算领域。

为什么要基于单量子做这个东西，除了单量子能量不可分割外，它最大的好处是，如果两个单量子耦合在一起，能力有指数的提升。比如一个量子比特是两个状态，两个是四个状态，三个是2的3次方，它是指数增加。全世界的存储器加起来是2的70次方。如果构造量子系统超过70比特，那用全世界的硬盘都无法存储下来，如果我们利用好这套能力，设计好算法，去解复杂度很高的问题，那是经典计算机无法比拟的，它是创新性、革命性的处理手段，它有指数级的加速能力。由于它的指数加速能力，在设计制造的挑战很大，我们在操控的是能量不可分最小单元，是最脆弱的系统，你怎么样有效集成这么多的比特，又让每个比特做得很准，每个比特数目足够多，需要很大的处理能力。这些年来， 在量子领域的挑战是怎么实现实用化的量子计算机 ，如果这个事情实现了，收益是巨大的。它对国家安全，对信息领域，对整个信息处理是革命性的进展，会深刻改变量子密码等各个领域。大家都在努力做一台实用化的量子计算机。

我们总得有一个路径，怎么一步步进展看到最后的结果。这里面有两个最核心的指标，大家听到更多的是我们又 增加了多少比特 ，它只反映量子计算的性能一部分。还有一个很重要的指标 每个比特操作一次的错误率是多少 。比如我有10个比特，操作一次有1/10概率做错一次，我即便把10个比特每个只运行一次，运行10次操作的正确率是0.9的10次方，就远低于50%。我们必须同步提升数目同时降低错误率，才能真正造一台有用的机子。大家看这个淡紫色的区域是可经典模拟的区域，70比特所有的硬盘都存不下，按纵轴10的5次方，就是10万比特，错误率是 10 -1 ，照样属于可经典模拟区域，因为算两下就错了，所以你做再多的比特都没有用。只有一种情况，你的比特数目足够多，同时每个比特操作错误发生的概率足够低，才能让你量子计算机展现出它的优势来。在科学界把这个定为量子计算第一阶段目标，在特定的问题上展示处超越经典计算机的卓越的处理能力。这个概念最早是美国科学家提出来的，叫量子霸权，在特定问题上展示特定的能力并不算是霸权，我们更倾向于优越性。为了达成第一个里程碑的目标，我们尽量切合它的计算能力。现在量子优越性的问题并没有找到大规模应用的地方，更像是纯数学的问题，让大家去证实量子计算能力，自然而然下一阶段，即 未来五年左右的时间，最核心的目标是找有应用价值的问题，让它算过超算，这就标志着量子计算可以最终落地 ，当然最终目标希望量子计算机可以像经典计算机一样随意编程，随意输入命令运行，这需要你的错误率降到极低的水平，同时比特数目也要足够。

这就是我们说的第三阶段的目标，真正通用容错阶段，但现在第三阶段看起来挑战很大，你要把量子比特错误率降到极低的水平是不可以的，最多降到千分之一的水平就无法扩展了。好在我们有量子纠错，我们用几千个量子比特（每个错误率 10 -3 ），去构成逻辑比特，这个比特可以获取10-12~10-15，如果用几千个逻辑比特，我们量子计算可以解密码，可以干很多事情，保守估计需要15年。目前，真正第一个10-6错误率比特都没有到达过，好消息是在两个系统里达成了第一阶段的目标，即量子优越性。最近这几年，国家以及各个领域对这方面都有大量的投入。

量子计算有很多实现的载体，任何一个可以构成量子系统的物理系统，在该领域工作的物理学家都或多或少宣称将来想做量子计算，因为它太重要了，但他们各有各的问题。这可以分成两类，一是量子比特跟外头隔离非常好，不受到各种扰动，我们就说隔离性很好，每个比特性能就很好，错误率很低，但它很难把一个个比特扩展起来，因为它很难跟外界发生相互作用，比如光子，超冷原子。这种很难做出很大的规模。二是超导，它基于宏观量子态，天然有很好的扩展性，但它跟外界有各种各样的耦合，各种各样的相互作用，非常难以提高性能，降低错误率，大家会看到在各种各样的宣传里，超导系统最喜欢说它的比特数目更多，而那些微观量子系统更喜欢说性能好，原因就是各有各的问题。在所有的系统里，超导确实从各方面来说走到了前面，它不仅仅可以扩展开来，且能降低错误率。

下面我就聚焦到 超导量子的优势和挑战。 讲超导量子计算系统前，我先介绍一下它包括哪些东西，首先包括量子处理器，这跟半导体处理器一样，然后由于我们操控的是单量子态，是能量划分最小的单元，是很脆弱的系统，我们必须把它放到极低的温度，零下273.10度，相应你对它控制的噪声也要达到这样的水平。为了让每个比特的错误率特别低，我们还需要非常好的电子学的测控系统，在它之上要有非常好的操作软件和系统，让电子学准确发出各种脉冲，控制各种操作。在这之上可以构建量子计算云平台。

为什么我们要大力发展量子计算云平台？ 因为量子计算领域的重要性和受到的关注让大家意识到一个问题，这个体系不能像传统一样，我们的生态、软件、编程要同步跟硬件发生建立起来，不然，等硬件有一天可以解超算解不了的问题的时候，我们会发现，编程的代码、指令都是IBM等公司建立起来了，我们自己没有这样的生态，那到时怎么把自己造的硬件做起来呢。所以，我们要让量子计算真正落地，有个实际的机子可以用，可以启发人们的灵感，习惯它编程的环境，同时我们希望，对量子计算有强烈兴趣的人实际操作这个系统，吸引更多的人进入这个量子计算的领域。我坚持认为，虽然我们的硬件还不具备为求解实际问题提供算力的能力，但需要花大力气把这个云平台干起来，如果有一天硬件取得了突破，但在有价值的问题上可以超过超算，我们就可以很快得把生态建立起来。这也是量子计算将来的运行模式。这个机子要放在非常低的温度，非常干净的环境，所以未来一定需要云的形式，整体来说我们打造的量子计算是为了有突破。

超导量子计算系统很好拓展，但要把每个比特的错误率降下来非常困难，它的难度超出所有人的想象。如果有一天实用超导量子计算机做出来后，一定会用到人类有史以来对于最极高精度，最低噪声的极限，即便到时还是造不出来，那就是人类的能力就在这里。我马上讲解为什么有这么高的要求。

这里面有个很有意思的概念，我们知道微观世界的量，只能是一份份的。那么，如果是宏观的体系，如果把它的噪声降到足够低的水平，物理学家会告诉你，它也服从量子规律，只不过在宏观体系，由于各种相互作用，你完全看不到量子效应。如果构造宏观体系，扰动降到足够低的水平，就可以看到量子。科学家做到微米尺度的电路，这样的电路我们把噪声降到足够低的水平，它的能量也是量子化的，不能是半份，这个我们叫宏观量子效应，正是基于物理学家这样非常前瞻性的重要发现，我们就可以用所有的电子设备通用的电子线路，再加上非线性原件——约瑟夫森结，我们把噪声降到单量子的水平，这个能量有多小呢？一个超导量子比特翻转一次的能量，大概是蝴蝶扇动一下翅膀能量的10亿亿分之一，也就是说你在操控蝴蝶翅膀扇动的10亿亿分之一的能量，精度还要达到万分之一，你可以想象一下你操控的是这么脆弱的东西。

大家可以看到超导量子计算非常好扩展，在我们最早的四比特处理器原型里面，就是只有电感、电容、约瑟夫森结，当然，必须要超导材料来做，不能是半导体材料、普通金属，只有超导才是无损耗的，普通的金属总有一点损耗。你可以看到，这个电路跟半导体电路非常相似，它的制造和控制都跟半导体电路类似。从原理上讲，它非常好扩展，有利于做很多的比特，这也是产业界非常看好超导这条路线的原因。人类历史上只有半导体芯片，可以把数以十亿计的元件做到小的片子上，让它协同工作，其他一个个摆起来的多通道雷达，几十万路已经顶天了，从来没有一个方法用上百亿个元件协同工作，只有半导体芯片工艺可以。所以大家认为超导量子处理器就是用电容、电感、约瑟夫森结，就是用到半导体工艺，所以可以做到很大的规模，大家也看好这个方向。

但是，经典处理器是数字化的0和1，大于0.5V都可以叫1，小于0.5伏都可以叫0，错误率可以降到极低，但量子处理器是超高精度的模拟，我不存在0和1，只要1，0.99都不行，0.99都意味着1%的错误率。在这时候，我们操控的是单量子系统。我们处理器芯片上，一个电子跳动一下，在实验室里可以非常清楚地看到信号，任何一个单量子扰动都可以非常清楚地看到。近些年来，谷歌和我们做了大量的努力去理解单量子噪声水平的时候，我们终于可以把每个量子比特精度做到千分之几的水平，我们可以说完成第一阶段展示量子优越性的问题。

在超导量子系统里，做更多的比特是很容易的事情，但很难的是每个比特要避免单量子尺度的扰动，且做到这么高的精度，这才是整个超导量子计算最艰辛的挑战。当然我很高兴的是，在国家实验室的整体布局下，我们跟谷歌一起引领了超导量子计算的发展，我们把精度控制到这个水平。我们要把它降到绝对零度的水平，要降到20毫K，温度是零下273度的水平，以前是国外的几家公司垄断了，我们在国家实验室的支持下把这个事情做成了。现在我们有十几台的订单了，由于我们每个尺度都要做到零扰动，这个线也是我们自己做的。

我们要做到千分之几的控制精度，每个比特信号也需要这么准，我们也做了自己的电子学控制系统。这套系统原来是卡我们脖子的，我们很争气，现在这个东西我们可以在国外销售了，不止满足自己了。

最后一点时间，我再把 量子优越性 跟大家讲一下，量子优越性是第一阶段目标，它利用运行一堆量子线路后，我们采样还有没有效果，这样就知道量子计算运行了以后，能不能得到有效的结果。如果一台量子计算机连量子优越性都没有实现，是不可能提供真正优越的算力，因为优越性的定义是可以在一个特定问题上超过经典计算机。如果没有实现优越性，你所有的运算都可以用一台经典计算机轻松模拟出来。这是第一点。

第二点，从科学家来说，物理学家是希望看到一个真正的系统，演示给我看，你造成出来比经典计算机要快。那我们总得争口气，很有意思的是，量子优越性最早是2019年谷歌做出来，2020年我们用光量子做出来。那为什么我们超导还要做量子优越性呢？一是因为，没有优越性就没有后面的动作，你这个能力都达不到，就没有新的能力提供；二是因为，量子优越性展示完了之后，经典计算机不服，它觉得这个问题我也可以算得更快，所以谷歌2019年的优越性现在已经不存在了，它当时说自己的优越性要用最好的超算算一万年。现在超算领域用304秒可以把它600秒算完的问题解掉，现在存在优越性的是“祖冲之二号”，它计算的复杂度比谷歌还要高6个量级，即便最好的超算依然解不了。所以，为了将来我们往前推进，我们要做量子优越性，否则所有的东西都是镜花水月。我们当时做的量子优越性报告结果都是在千分之几的水平，同时我们的优越性高于谷歌6个量级。

总之，现在，量子计算就是在证明优越性的阶段，同时谷歌不服气，在去年做比我们高4个量级的优越性出来，我们也在做更高复杂度的系统，也许等我们量子优越性高于经典计算十个量级时候，经典和量子之争就不存在了。

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