广州科创｜珠江科学大讲堂——量子计算：破解人类算力瓶颈的颠覆性技术

文、图/羊城晚报全媒体记者 李钢

人类对于算力的需求越来越大，有什么样的颠覆性技术突破算力瓶颈，让人类文明更上一层楼？近日，由广州市科学技术局主办，广东科学中心和羊城晚报社联合承办的珠江科学大讲堂106讲，邀请了上海交通大学教授、图灵量子创始人兼CEO金贤敏，为大讲堂的粉丝们带来一场关于“光子芯片时代”的科普讲座。

人类计算的历史：从石块到集成电路

人类对于计算能力的需求一直都存在。金贤敏说，在几千年前，人们利用石块等东西来实现计算。后来，古波斯人发明了算盘，后来流传到中国并被改良而发扬光大。而首次利用机器计算的人，是大名鼎鼎的诗人拜伦的女儿艾达·拜伦。她在19世纪的时候，就利用一台手摇机器完成了计算和编程任务。不仅如此，她还成为人类历史上的第一位程序员，成为计算机程序的创始人，建立了循环和子程序概念，并且还预言了计算机今后将在各个领域中得到广泛应用。

世界上第一台真正的电子计算机诞生于1946年的宾夕法尼亚大学。当时的这台计算机体积极其庞大，占地近200平方米，重量达到了30吨。

到了1958年，世界上的第一个集成电路问世。发明人基尔因此获得了诺贝尔奖，这个集成电路从现在的眼光看起来显得非常粗糙，但却开启了人类计算迈入集成电路的时代之门。如今的集成电路中的电子线路正在被做成小到不能再小的原子级别。由此也带来了一个问题，电子线路的工艺抵达物理极限之后，人类的计算能力将如何延续？

人类计算能力的增长和文明的进程就要因此而停止了么？金贤敏说，如果算力无法提升，那么数十年后的人们所使用的，可能依然是现在的手机。更重要的是，掌握了更高算力的社会，会对低算力社会在各个方面形成碾压般的代差。

人类正处于算力真正爆发的“前夜”

而随着人工智能时代的来临，人们发现，由于算力的掣肘，使得人工智能的发展遭遇了天花板。要想实现“AI赋能百业”，就需要更强的算力支撑。

金贤敏说，数据和计算需求都在呈现爆发式增长，两者相互适配是现在的主旋律。

随着量子力学的出现，人类开始将对更强算力的追逐，瞄准了微观世界的基本粒子。金贤敏说，在后摩尔时代，人类在算力上有着新的机遇，譬如人工智能光子处理器、光量子计算、光子计算、DNA计算等，都成为了未来的可能性。

经典物理中，物质的存在是非此即彼的状态，而在量子信息的世界里，一种状态和另一种状态可以形成叠加，也就是“既可以是0，也可以是1”。那么，两个量子信息单元就可以实现4种状态，三个量子信息单元实现8种状态……随着量子信息单元数量的增加，所能实现的状态呈现指数式增长。

金贤敏举例说，50个光子的计算机能够实现的算力就可以达到一台超级计算机的水平，增加一个光子，则算力翻倍，增加2个光子，则算力已经是超级计算机的4倍，而如果达到了60个光子的算力，是超级计算机的1024倍。

“如果达到了240个光子的量子信息单元，蕴含的所有排列组合、所能表达的信息状态数量，等同于宇宙中所有原子的总和。这样的计算机却只需要占用几十平方米的空间。”金贤敏说。

由此可见，人类正处于算力真正爆发的前夜。

 2022年，因为在纠缠光子和量子信息领域做出的贡献，诺贝尔物理颁给了阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser） 和安东·塞林格（Anton Zeilinger）三位量子信息科学家。

金贤敏介绍说，如今的科技已经可以实现人类操控量子纠缠。安东·塞林格曾经进行了一项开创性实验，将激光对准一种特殊的晶体，创造了光子纠缠对，并使用随机数在测量设置之间切换。

 2010年，金贤敏加入了潘建伟（安东·塞林格是潘建伟的导师）的团队，开展了世界首个室外环境下的最远距离的量子隐形传态，论证了量子科学卫星的可行性。这一成果入选了由两院院士和科技评选的2010年中国十大科技进展。

量子计算：将形成颠覆性创新成果

金贤敏说，第一次量子革命基于系综级量子操纵，包括了原子弹、核电站、激光、原子钟等领域。所谓的系综级是指一群原子数量。而三位诺奖得主则开启了第二次量子科技革命，让人类高精度、远距离、大规模操纵单量子态成为可能。这一次革命已接近产业化阶段，将与人工智能等新一代信息技术交织在一起，形成颠覆性创新成果，带来了量子计算、量子通信、量子测量等技术。

未来的量子计算机有望在搜索、排序、优化等问题上实现应用。即使对于其中一个特定问题，量子计算机带来的绝对能力差别以及形成的冲击非常巨大，可能给国家以及跨国公司之间的竞争带来洗牌效应。

譬如说，在医药和材料行业发现一种新产品往往需要对几十个甚至上百个原子组成的大分子性质进行研究，对各种分子结构的排列组合进行试验试制，需要耗费大量的人力、物力和时间。而一旦谁可以用量子计算机直接有效地模拟几百个原子的大分子，直接计算出它的性质，那么所建立的时间和成本优势就可以碾压所有的竞争者。因此，欧美各国都相继启动了各自的旗舰计划，中国也正在筹划自己的量子专项。