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中国科学院院士潘建伟:期望未来5年实现量子纠错,再用10-15年构建通用量子计算机

每日经济新闻 2022-11-19 16:22:16

◎潘建伟表示,经过科学家40多年的努力,目前达到量子计算的第一阶段。他期望能够在未来5年的时间实现量子纠错,在此基础上,通过10-15年的努力,构建通用的量子计算机。

每经记者 张宝莲    每经编辑 董兴生    

11月18日,第五届世界声博会暨2022科大讯飞全球1024开发者节在合肥拉开序幕。开幕式上,中国科学院院士潘建伟发表演讲,分享了量子计算的发展现状并展望未来。

1024开发者节开幕式主会场 图片来源:每经记者 张宝莲 摄

潘建伟表示,经过科学家40多年的努力,目前达到量子计算的第一阶段。他期望能够在未来5年的时间实现量子纠错,在此基础上,通过10-15年的努力,构建通用的量子计算机。

量子计算具有强大优越性

当前,中国在量子技术方面有一定引领地位。潘建伟表示,量子信息已经在信息科学、能源科学、生命科学和材料科学等各个方面,都起到了巨大的推动作用。但是在发展的过程中,也面临一些问题。

他举例,大数据时代,计算能力需求在急速增长,一般发展计算能力是用加强晶体管的集成度实现。而根据摩尔定律,在单位面积上可集成的晶体管的数目每18个月就可以增长一倍。“目前的晶体管尺寸已经达到4个纳米,预计不到10年时间,就会达到亚纳米尺寸。到了亚纳米尺寸后,量子效应就会开始发生作用。”

量子计算的能力有多强大?潘建伟表示,它随着纠缠粒子的数目增加而指数增长。比如,一个比特在经典事件里,手机和电脑上是处于0或者1,但到了量子系统里面就可以属于0+1,但这个比特到了50个的时候,传统计算机里面,只能处于2的50次方个状态的某一个。但到了量子世界里,它就可以处于2的50次方种状态的相干叠加。如果对一个300万的大数据进行分解,用目前的万亿次的经典计算机大概需要15万年,但是用量子计算机只需要一秒钟。因此量子计算机有非常好的前景与应用。

前途光明,过程曲折。整个量子计算被分成三个阶段,潘建伟谈道:“经过科学家40多年的努力,我们才达到了第一阶段。”潘建伟说,第一阶段的目标是实现50个粒子左右的相干操纵。比如玻色取样组合优化,这方面的计算能力能够超过目前的超级计算机,而这一目标现在已经顺利完成。如果未来一旦达到100个粒子,在某些特定计算上,它相当于达到目前全球计算能力总和的100万倍。

期望10-15年构建通用量子计算机

目前,科学家们正在量子计算领域做些什么?

潘建伟表示,因为量子计算特别容易出错,希望通过5-10年的努力,找到一种手段让计算不发生错误,这样需要发展的手段便是量子纠错,能够将计算中发生的错误消除。潘建伟正在做这样一件事,并期望能够用4-5年的时间完成。在纠错顺利完成的基础之上,通过10-15年的努力,构建通用的量子计算机。

图片来源:直播截图

潘建伟表示,在量子计算能够顺利完成纠错后,未来5-10年,能够来操纵数百个乃至数千个量子比特,构建专用的量子计算机,针对传统超级计算机无法解决的具有重大科学意义的物理问题、化学问题、医药问题。鉴于量子计算的优越性,传统的超级计算机光靠算法改进几乎不可能超越。

他谈到,第一个宣称实现量子计算优越性的是谷歌公司,而2021年中国研制的“祖冲之二号”量子计算优越性,除了在读出错误率上稍微比谷歌差一点外,其他所有指标都优于谷歌。他表示,在求解随机路线采样问题上“祖冲之号”比目前的最优经典算法有10万倍的计算优势。

此外,中科院团队利用最新的一种经典计算算法——张量网络计算,打破了谷歌的量子计算优越性。目前科大的团队正在用超级计算机验证张量网络算法,一旦得到验证,则意味着谷歌的量子计算优越性在目前最好的算法下并不完全成立。由此可见,经典和量子计算之间的较量从未停过。

潘建伟将这形容成一个非常有趣的故事,或者说是一种游戏。但是在应用上有很多实际的意义。例如制药方面,化学反应经常会涉及到多个电子之间的相互作用。那么未来可以对一个包含几十个多电子复杂体系的势能面的精确信息进行计算。

另外,对于量子计算硬件的发展趋势,潘建伟表示,按照谷歌的计划,到2029年、2030年时,大概可以达到100万个或者百万量级的量子比特的操纵。那么这个时候就有可能对大数分解进行破解了。潘建伟称:“这个领域尽管离我们还稍稍有点远,但是正在以非常快的速度向我们走来。”

“我们希望在未来5年实现量子纠错,然后来完成数百个乃至数千个量子比特的相干操纵,来解决量子化学、新材料设计和优化算法里面的一些问题。同时我们希望能够通过10-15年的努力,来进行对密码分析和大数分解等方面相关的应用。”

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