量子計算 未來已來

近日，在王府井書店四層讀者閱讀區內，舉行了一場以量子計算爲主題的科普講座。主講嘉賓中國科學院計算技術研究所研究員、量子計算與算法理論實驗室主任孫曉明，向公衆講解量子計算的相關內容，併爲聽衆答疑解惑。

作爲深耕量子計算領域20多年的一線科研人員，孫曉明向公衆普及了量子計算的基礎知識、發展歷史，並講述了量子計算的應用場景和未來發展展望。

揭開量子計算神秘面紗一角

前幾年有個網絡流行語“遇事不決，量子力學”。這是一句調侃，指的是當事情中有說不通的部分時，利用一些高大上的科學理論比如量子力學來強行解釋，給人一種雖然搞不懂，但又很厲害的感覺。這句調侃語與諾貝爾物理學獎得主費曼所說的“沒人能夠真正理解量子力學”不謀而合。2022年諾貝爾物理學獎同樣授予了三位研究量子物理的科學家。量子計算是量子信息科學的一個研究方面，而另外兩個研究方面分別是量子通信和量子精密測量。

在介紹量子計算前，孫曉明先向大家解釋了量子：“《科普中國》上關於量子的明確定義，即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，最小單位被稱爲量子。”

“量子計算利用量子力學的基本原理，把量子疊加、量子糾纏等特性用起來，從而提升計算效率。目前，它在一些特定計算問題上已經展現出了超越經典計算機的強大計算潛力。”

孫曉明隨即舉例說明，“經典計算只有0和1兩個比特，它本來是不相關的，但是如果我們畫一個直角座標系，把0當做x軸，把1當做y軸，那麼在這個直角座標系裡，除了0和1，它還包含很多的點。”量子力學的基本假設是，這裡面幾乎所有其他點都是一個合法的量子態。

經典計算機採用0和1的二進制計算，而量子的計算單元可以同時既是0又是1，經典計算機一次只能嘗試一條路徑，而利用量子力學特性的全新計算模型可以一次探索多條路徑。前不久潘建偉院士在“世界量子日”發表的《百年量子，量子信息方興未艾》一文中也提到，量子計算提供了一種從根本上實現並行計算的思路，具備極大的超越經典計算機運算能力的潛力。

大咖分享量子計算未來趨勢

嚴謹、謙遜，是孫曉明留給觀衆的第一印象。儘管已深耕量子計算領域二十載，甫一開場，孫曉明第一句話便是“我個人對量子計算的認知可能不一定很全面，或者說有一些也不一定很準確，有不當的地方還請大家批評指正”。

孫曉明曾憑藉在解決量子算法複雜性和密碼協議複雜性中的理論難題等方面的貢獻，榮獲2021年度王選傑出青年學者獎。“王選傑出青年學者獎”是由北京大學、中國計算機學會和中國工業與應用數學學會每年聯合評選出在計算機和應用數學領域中自主創新和應用成果極爲突出的傑出青年學者，兩個領域分別僅有一個獲獎名額。

講座中，孫曉明向公衆推薦了《量子計算與量子信息》這本書，他介紹說這是他和5位同行一起，花了3年時間翻譯的。該書英文版系統全面地介紹了量子計算和量子信息領域的基本概念和原理、核心思想和技術，是量子信息領域及物理領域被引用次數最高的圖書之一。這本書是全球許多高校量子計算課程的教材，也非常適合對量子計算和量子信息感興趣的學習者閱讀。

量子計算是一個新興的、不斷快速發展的領域。除了量子算法、量子網絡、量子AI、量子編程語言，現在還有量子貨幣、量子存儲、量子模擬等。事實上，就像“地理大發現”一樣，量子計算研究領域也非常廣闊，而且幾乎所有重要的問題答案就是未知的，發展潛力非常巨大。

整場講座，孫曉明從量子計算的數學模型與基本原理入手，詳細介紹了量子計算的發展歷史、近期各國取得的一些重要研究進展，以及量子計算的一些潛在應用場景，例如量子化學模擬、組合優化、交通優化、圖像識別的精確性提升和金融算法方面的優化。但他一再強調，這些都需要結合算法的突破來實現。“比如量子計算機的‘加速’，並不是說造出來的量子計算機硬件比經典計算機速度快。目前像Shor算法、Grover算法這些我們能夠看見理論上實現加速的，都是因爲背後有算法在支撐。所以想要在（量子計算機）或者其他潛在領域發揮出量子計算的優勢來，還需要有算法上的一些突破。”

我國量子計算事業成就斐然

作爲一名專業的研究員，孫曉明在科普“量子計算”時表述十分嚴謹，但他對於量子計算的發展前景持積極樂觀態度，“大約5年前，圖靈獎得主姚期智教授曾經在演講中提到，他認爲計算機領域下一個革命性的方向，在軟件方面是人工智能，在硬件方面是量子計算。”孫曉明認爲，人工智能在過去的兩三年，特別是過去一年間取得了非常重大的突破。事實上，量子計算領域過去5年間也有飛速的發展，比如我國中科大的潘建偉院士帶領的團隊在超導量子計算方向取得了重大突破。

據報道，潘建偉院士帶領的團隊在2021年5月成功構建了62超導量子比特的可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，並在該系統上成功進行了二維可編程量子行走的演示；2021年10月，構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解，求解速度比富嶽號超級計算機快1000萬倍以上。在光量子體系，255光子的“九章三號”成功研製，計算能力刷新世界紀錄，實現了“量子計算優越性”。

“我國量子計算領域在國際上處於第一梯隊。”孫曉明平靜地說，同時他補充說，我國在量子計算領域已經做出了許多努力，但目前仍然無法很精確地預測量子計算何時能夠像人工智能一樣走入我們的生活，因爲前沿性研究具有不確定性和未知性。他進一步補充道：“所以只有我們大家齊心協力，不斷地去努力探索，那麼纔可能會看到量子計算真正進入人們生活的那一天。”

科普講座現場觀衆互動熱烈

量子計算作爲物理學中一個專業性強、理論邏輯複雜的領域，面向公衆科普工作存在一定的難度，孫曉明將其中繁雜的數學模型簡化，以通俗易懂的方式呈現，並輔以具體案例。講座現場以成年人居多，也有揹着書包帶着筆記本的小觀衆。在答疑互動環節，孫曉明一再肯定聽衆提問的高質量，並耐心地回答每一個問題。

帶着筆記本前來的小觀衆提問“量子不是一個實質存在的物嗎？”孫曉明回答說，量子代表的是一種不可再分的最小單位，而所謂最小單位“不是在形態上，而是在物理量上的最小的單位”，“我們以前認爲牛頓定律是支配着整個世界的規律，但是有了相對論之後，我們發現牛頓定律可能並不是支配整個世界最精確的規律。但我們在現實世界其實很難看到相對論效應，因爲通常物體的運動速度遠低於光速。相對來說量子效應也是一樣，在現實中宏觀尺度下，量子效應也是很難被看到的。”

有位聽衆詢問孫曉明對當下流行的“量子糾纏”的看法，孫曉明說：“我們經常會打這樣的比喻，就是說兩個人心有靈犀，不管距離有多遠，他們彼此之間似乎有一種心靈感應。在物理學中，這指的是一個粒子呈現出某種狀態，譬如電子自旋朝上，那麼另一個電子自旋也是朝上的。當然這件事情聽上去很不可思議，但是事實上物理學家已經從實驗上去證實了這一點。去年諾貝爾物理學獎的獲獎工作就是從實驗上驗證了量子力學違背貝爾不等式的結論。”同時，他也表示“整個量子理論體系還存在着可以進一步完善的地方”。

最後，關於聽衆提出的AI和量子計算如何結合的問題，孫曉明告訴讀者，目前確實有人工智能的一個子方向叫量子機器學習，“我個人覺得它可以跟機器學習有很好的結合，但是量子計算跟大模型，特別是大語言模型，是不一樣的。現在大語言模型基本上是生成一個序列，某種意義上它像一個串行的計算，而量子擅長的是並行的事情，它對神經網絡可能可以做一些優化，但是在這種大語言模型上可能不一定擅長，至少從我個人來看，現在還沒有找到很好的點去將二者結合。”

此次活動面向公衆，參與活動的一名中學生表示，老師講得“很給力”，他說：“我們老師說量子力學比較複雜，但我喜歡，就想來聽聽。”他向記者展示了自己的筆記，這名中學生是由父親陪同而來的，他的父親在一旁補充說：“講座很有意思。本來我對量子物理領域一竅不通，但是現在覺得量子物理很厲害，我想這個領域前景一定很好。”文/劉晨攝影/劉漢

活動簡介

“科技耀京城”系列講座是由北京市科學技術協會主辦，北京青年報社承辦的科學文化傳播活動。每場活動會走進一家書店，邀請一位科學界專家學者，介紹一個前沿科學領域，展現一項國家科技成就，完成一次科學精神的傳遞。

近年來，隨着量子科技的不斷髮展，推動了諸如原子能、激光技術、超導材料、全球衛星定位系統等衆多技術的發明與進步。量子產業正在開闢未來產業“新賽道”，推動新質生產力的快速發展。爲了讓公衆瞭解量子科技，本次講座我們邀請了中國科學院計算技術研究所研究員孫曉明爲公衆揭開量子計算的神秘面紗。

主講嘉賓

孫曉明，中國科學院計算技術研究所研究員，量子計算與算法理論實驗室主任，國家傑出青年科學基金獲得者。主要研究領域爲算法與計算複雜性、量子計算等，曾獲王選傑出青年學者獎等。

書店介紹

王府井書店隸屬北京發行集團，成立於1949年2月10日，被廣大讀者譽爲“共和國第一店”。

書店除了經營圖書、文化用品、文創商品等，還爲讀者搭建了好的閱讀場景，一層開闢了中軸線文化專區。三層有“懷中讀·閱童館”，營造了一個家長與孩子共同閱讀的場景，通過共讀，爲父母創造與孩子溝通的機會，分享讀書的感動和樂趣。六層設有與北京市東城區圖書館聯合創辦的“館店結合”模式的“王府井圖書館”，爲市民對於閱讀體驗的享受提供空間與優質服務，平均每月圖書借閱冊數近5000冊，實現讀者既可以在書店“購書”，又可以“借書”的閱讀體驗。