潘建偉院士：通用量子計(jì)算機(jī)至少操縱百萬量子比特，我國正編制規(guī)劃

12月2日消息（南山）近日，2024量子科技和產(chǎn)業(yè)大會開幕式在安徽合肥舉行。開幕式上，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉分享了量子信息科技發(fā)展的現(xiàn)狀與展望。

其中對于量子計(jì)算，潘建偉將其分為三個階段：

第一階段是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”（也有翻譯為“量子霸權(quán)”）。谷歌公司于2019年率先宣布實(shí)現(xiàn)，基于53量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算系統(tǒng)“懸鈴木”求解隨機(jī)線路采樣問題，耗時約200秒，而當(dāng)時最快的超級計(jì)算機(jī)需耗時1萬年。不過，最新的張量網(wǎng)絡(luò)算法，使得超級計(jì)算機(jī)可以在20秒內(nèi)完成當(dāng)時的計(jì)算任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對懸鈴木的反超。

國內(nèi)來看，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)于2020年推出的光量子計(jì)算機(jī)“九章”，采用76個光子，對比當(dāng)時最新的經(jīng)典算法，處理高斯玻色取樣問題比超級計(jì)算機(jī)“富岳”，快了10萬倍，是首個被嚴(yán)格證明的量子計(jì)算優(yōu)越性。2021年，“九章2號”再接再厲，采用113個光子，超越超級計(jì)算機(jī)100億倍；2023年，采用255個光子的“九章3號”，超越超級計(jì)算機(jī)億億倍。

此外，2021年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的66超導(dǎo)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之2號”，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)線路取樣問題的快速求解，比最快的超級計(jì)算機(jī)快10萬倍，計(jì)算復(fù)雜度比懸鈴木高出6個數(shù)量級。這使得我國成為首個在兩種物理體系中均達(dá)到量子計(jì)算優(yōu)越性里程碑的國家。

不過潘建偉也補(bǔ)充，谷歌今年最新取得的進(jìn)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了反超。谷歌研究團(tuán)隊(duì)在最新Nature論文中介紹，67量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)Sycamore在隨機(jī)電路采樣實(shí)驗(yàn)中，噪聲降低至某閾值以下時，實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，性能超過最新超級計(jì)算機(jī)1萬倍。

據(jù)量子大觀了解，上述量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用在特定領(lǐng)域，仍無法執(zhí)行普通計(jì)算機(jī)的典型操作，比如存儲照片、發(fā)電子郵件等常用的簡單操作。

第二階段即當(dāng)前階段，主要任務(wù)是研制專用量子計(jì)算模擬機(jī)，用于解決經(jīng)典計(jì)算無法勝任的若干科學(xué)問題，如量子化學(xué)、高溫超導(dǎo)機(jī)理、拓?fù)湮飸B(tài)等。

目前已經(jīng)取得了一系列進(jìn)展：相干合成超冷三原子分子，揭示超冷化學(xué)反應(yīng)過程；首次實(shí)現(xiàn)光子的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)，人工合成拓?fù)湮飸B(tài)；300離子量子模擬器，實(shí)現(xiàn)可調(diào)耦合的長程橫場伊辛模型的量子模擬；“天元”超冷原子量子模擬機(jī)，驗(yàn)證高溫超導(dǎo)理論反鐵磁相變……

第三階段是未來10到15年，實(shí)現(xiàn)通用容錯量子計(jì)算機(jī)。在量子糾錯的輔助下，相干操縱至少百萬量子比特，用于解決經(jīng)典密碼破解、人工智能、材料設(shè)計(jì)、氣象預(yù)報(bào)、生物制藥等領(lǐng)域的計(jì)算難題。潘建偉提到，拓?fù)淞孔泳哂刑烊蝗蒎e性，目前國際上正在努力實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔颖忍亍?/p>

展望未來，谷歌和IBM、英國和法國政府都提出了在2035年前后實(shí)現(xiàn)100萬個量子比特相干操縱的目標(biāo)。“我國正在編制的國家量子科技相關(guān)規(guī)劃中，也提出了同樣的目標(biāo)。”潘建偉透露。

從節(jié)奏上看，未來3到5年，實(shí)現(xiàn)數(shù)百至上千個量子比特的相干操縱，解決量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等問題，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子糾錯；未來10到15年，在量子糾錯的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)具備基本功能的通用容錯量子計(jì)算機(jī)，探索密碼分析、大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用。

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