日前，在麻豆视频app学会2020年学术年会上，中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟应邀作题为《量子计算的现状与展望》主旨报告。
量子信息科技已成为国家战略
潘建伟表示，量子信息科学已经成为我们的国家战略。习近平总书记在十九大报告中，总结了创新型国家建设多项重大科技成果，专门提到了“墨子号”量子卫星的成果。在2017年和2018年的新年贺词中，他也专门提到了墨子号飞向太空、光量子计算机研制成功。2020年10月，习近平总书记在中央政治局对于量子科技集体学习时的讲话里专门指出，“要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略的谋划和系统布局，把握大趋势下好先手棋。”
量子科技不仅是我国的国家战略，早在2018年底，美国启动了为期10年的“国家量子行动计划”，在2019-2022年预计新增投入约13亿美元，5年政府财政投入约30亿美元。在2020年初，美国又发布了《美国量子网络战略构想》。在美国政府发布的2021年财年预算草案中专门提出，要在2022年之前将量子信息的研发投资资金增加一倍。还有，包括欧洲和英国等国家和地区也制定了量子技术相关的政策，如英国政府启动的国家量子技术专项，欧盟实施的量子技术旗舰专项。德国、日本、法国等国家都制定了较有雄心的国家量子战略。
人类对计算能力有巨大需求
量子信息科技主要包括叁个方面：第一，量子通信。可以提供原理上无条件的安全的通信方式；第二，量子计算与模拟。可以提供一种超快的计算能力，来揭示复杂系统的规律；第叁，量子精密测量。可以在测量精度上超越经典极限。
今天，我简要介绍一下量子计算的现状和展望。早在1943年，人类造出来的第一台电子计算机Colossus重量一吨，功耗是8.5千瓦，每秒运算速率5000次。当时IBM的总裁Thomas Watson预测，对于这么高级的计算机，全球可能只需要5台。但是到了2010年，我们每个人一部智能手机的计算能力已经超越了阿波罗计划计算能力的总和。
随着大数据时代的到来，全球的数据量成指数增长，基本上是每两年翻一翻。为了充分从海量数据中挖掘出有价值的信息，人类对计算能力有巨大的需求。但是，目前全世界计算能力的总和还是非常有限的。而传统发展计算能力的模式正在随着摩尔定律逐渐地逼近极限而受到严重制约，这主要是因为当晶体管的尺寸达到纳米量级的时候，晶体管电路原理因为隧穿效应将不再适用，与此同时，超级计算机能耗是非常巨大的，所以我们的计算能力目前面临一个瓶颈问题。
量子计算为后摩尔时代计算能力的提升提供了全新解决方案
基于量子信息技术的量子计算为后摩尔时代计算能力的提升提供了一个全新的解决方案，这里面主要是利用了量子力学里面的量子迭加和量子纠缠等原理。爱因斯坦将量子纠缠现象叫作“遥远地点间的诡异互动。”
利用这种量子迭加的原理，量子计算的计算能力是随着可操纵的量子比特数呈指数增长的。我们可以利用量子迭加原理来进行有效的大数分解，如利用万亿次经典计算机分解300位的大数，需要150000年的时间，而同样的任务在万亿次量子计算机上只需1秒。而且，利用量子计算也可以求解线性方程组，如求解一个亿亿亿变量的方程组，利用经典超级计算机需要100年，但是利用万亿次的量子计算机，只需0.01秒。这样的能力将来在大数据、人工智能，包括气象预报、金融分析、药物设计等方面都可以找到相应的应用。当然，我们要把量子计算机造出来，还需要很长的时间。
为了能在这个领域取得良好的发展，这个领域的学者给自己设定了叁个阶段性的目标：阶段一，相干操纵约50个粒子比特，它对若干问题（如玻色取样、组合优化）的计算能力超越经典超级计算机。阶段二，相干操纵数百个量子比特的专用量子模拟机，来揭示若干经典计算机无法胜任的复杂物理系统的规律（如高温超导机制）。阶段叁，更长远的目标，是在量子纠错的帮助下，实现可编程的通用量子计算机。
我国量子计算实验研究取得重大进展
2019年，谷歌公司实现了一个重要突破。据报道，谷歌53比特超导量子计算原型系统，耗时约200秒求解一个“随机线路采样”问题，用当时全球排名的第一的超级计算机完成同样的任务约需要1万年。随后，在滨叠惭的理论研究表明，如果有充分的内存，也可以花2.5天时间来完成类似的计算，但是无论如何，这个能力已经超越了最快的超级计算机。
我国也在各种系统方面开展了长期的摸索和工作，在光量子计算这一方向上处于国际领先地位。早在2017年，我国就实现了首个针对特定问题求解的超越早期经典计算机的光量子计算原型机。2020年9月，又实现了76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样的速度比最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌量子计算原型机快一百亿倍。此外，我国在超导量子计算方面，也取得比较好的进展，近期正在开展60多个超导量子比特的相干操纵的工作，希望在不久的将来也能够实现超导系统的量子计算优越性。
对于未来要做什么？潘建伟院士表示，我们希望通过5-10年的努力能够实现数百个量子比特的相干操纵，来解决若干超级计算机无法胜任的具有重大使用价值的问题（如量子化学、新材料设计和优化算法等）。希望通过15-20年的努力，能够研制出具备基本功能的通用量子计算原型机，来探索对密码分析、大数据分析等的应用。
职业教育是工业体系的关键因素
当前，量子信息技术已经进入一个深化发展、快速突破的新阶段，这不仅需要科研人员，也需要各种各样的工程师，乃至整个工业体系的支撑和各类高素质的人才。因为量子科技涉及光电技术、材料工艺、空间技术、工程技术等。所以，从这个角度讲，我觉得职业教育是一个工业体系的关键因素。德国为什么能够拥有全球领先的工业体系，就得益于对职业教育的重视。
目前，我国对高等教育非常重视，大家普遍的想法就是读完本科读硕士，读完硕士读博士，但这样培养出来的人才，并不能都够满足社会发展的需要。包括量子信息科技这样的一个先进的技术领域，也非常需要各种各样的工程师，把各种各样的元器件做得更好。所以，从这个角度讲，职业技术教育是非常重要的，对整个国家的工业体系和科技创新体系都是非常重要的。
（根据会议现场发言整理）
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