中科院院士俞大鹏：量子计算挑战人类操控微观世界极限能力

在科技日新月异的今天，量子计算这一前沿领域每隔一段时间就会传来令人振奋的消息。近期，谷歌公司公布了一款名为Willow的新量子芯片，它拥有高达105个“量子比特”，这一成就再次刷新了人们对量子计算的认知。

据悉，这款量子计算机能够在短短五分钟内解决一个计算问题，而如果使用传统计算机，则需要花费比宇宙历史还要长的时间。几乎与此同时，由中国科学家研制的同样拥有105个量子比特的“祖冲之三号”量子计算机也在学术预发布平台arXiv上发表了研究成果。中美两国在量子计算领域的竞争，呈现出你追我赶的激烈态势。

尽管量子计算机距离真正实用化还有很长的路要走，但无数科学家已经投身其中，致力于让这一梦想成为现实。其中，中国科学院院士、深圳国际量子研究院院长、南方科技大学讲席教授俞大鹏便是其中的佼佼者。他早年研究纳米技术，近年来则领导成立了深圳国际量子研究院，带领众多青年才俊在量子计算领域取得了显著成果。

近日，证券时报记者对俞大鹏院士进行了专访，就量子计算的相关问题进行了深入探讨。俞教授感叹，量子计算机是人类挑战操控微观世界极限能力的世纪系统工程，其复杂性和难度超乎想象。

微观世界

量子计算，这一建立在量子力学基础上的新兴领域，对于大多数人来说或许还显得神秘莫测。其实，量子理论是由一系列杰出的物理学家在20世纪初共同奠定的。德国物理学家普朗克在1900年首次提出了量子的概念，随后爱因斯坦、玻尔、薛定谔、狄拉克等人纷纷加入，共同揭示了量子现象的奥秘。在20世纪的前半期，一个完整的量子力学理论框架逐渐建立起来。

物质是由不可分割的原子构成的。但在比原子还小的微观世界里，存在着电子、光子、夸克和胶子等基本粒子。这些粒子的存在和运动方式让物理学家们惊叹不已。他们通过一系列的观察和推算，逐渐揭示出了这些微观粒子的运动规律。科学界将纳米尺度（即原子的大小）以下的微观世界所遵循的力学原理称为量子力学。

量子运动具有非连续性、不可分割性，以及叠加和纠缠等特性。其中，叠加态是指一个量子系统可以同时处于多个状态之中，而纠缠态则是指两个或多个量子系统之间存在一种神秘的关联，使得它们的状态无法被单独描述。这些特性使得量子世界充满了奇妙和神秘。

对于量子状态的最著名描述来自于薛定谔的猫实验。在这个实验中，一只猫可以同时处于生与死的叠加状态。但当我们打开笼子观察时，猫就会“坍缩”到生或者死这一种确定的状态。这种奇特的现象让人难以理解，甚至像爱因斯坦这样的科学巨匠也感到费解。他曾经说过：“上帝为什么会掷骰子呢？”这句话表达了他对量子世界不确定性的困惑。

薛定谔本人在量子力学上取得了卓越的成就，但他同时也是一个怀疑者。他提出的“薛定谔的猫”这一例子，原本是对量子现象的一种质疑和反思，但后来却成为了普通人了解量子理论的一个重要通道。

这些伟大的物理学家们自幼学习的是经典物理学，他们认为世界是可知的、确定的、可描述的。然而，当他们踏入微观世界的大门时，却发现了一个全新的、充满挑战和未知的世界。他们不断地解释各种现象，提出各种天才的公式和理论，不断地颠覆自己的认知。

正是在这样的背景下，量子计算机的概念应运而生。1982年，理查德·费曼首次提出了量子计算机的概念。他认为，量子计算机可以通过模拟量子力学现象来解决某些经典计算机难以处理的问题。这一想法为计算机科学的发展开辟了一条全新的道路。

对比

现行计算机都是基于电流的开关来进行运算的。通过一开一关的组合，计算机可以实现复杂的运算功能。这种运算方式可以用简单的代码简化为1和0的组合，原理简单易懂。

然而，量子计算机则完全不同。它以量子比特为基本运算单元。与经典比特不同，量子比特利用的是量子世界的叠加规律。这意味着一个量子比特可以同时处于0和1之间的任何两个状态的叠加态中，只是概率大小不同而已。这种叠加态的特性使得量子计算机能够同时处理多个任务，大大提高了运算效率。

为了更直观地解释量子计算的威力，俞大鹏院士喜欢用迷宫来作比喻。他说：“如果我们派100个人走一个特别复杂的迷宫，每个人相当于一个经典比特。这100个人不允许带手机交流，只能试错前进。最后这100个人全部从出口出来，这相当于他们各自独立完成了自己的任务，互相之间没有纠缠和干扰。但如果我们用量子计算机派出100个量子比特去走这个迷宫呢？它们会构筑一个2的100次方的线波特态空间。这相当于孙悟空拔出一根毫毛变出了2的100次方个猴子，每个猴子都能同时去探路。这些猴子之间互相纠缠、相干相消，走通的地方就消失了，走不通的地方则省去了很多计算的过程。这就是量子计算机无与伦比的计算模式优势。”

可以看出，经典计算机是通过串联的方式逐个解决问题的，而量子计算机则是通过并联的方式同时处理多个问题的。这种差异使得量子计算机在处理某些特定问题时具有巨大的优势。

算法与实现

量子计算的算法是其核心所在。科学家们构建了许多工具来计算和描述量子的状态。比如将量子的状态想象为一个布洛赫球，使用傅里叶变换算法来计算其某个状态的概率。这些算法为量子计算提供了强大的理论基础。

在量子计算中，常见的量子门有Hadamard门、CNOT门和Pauli-X门等。这些量子门相当于经典计算机中的逻辑门，用于对量子比特进行操作和运算。通过组合这些量子门，科学家们可以构建出各种复杂的量子算法来解决实际问题。

其中，Shor算法是量子计算领域的一个重要突破。它由科学家彼得·肖尔在1994年提出，利用量子叠加态进行大数分解。这一算法能够在多项式时间内完成经典算法需要指数时间才能完成的任务。随后，肖尔又在1995年提出了量子纠错方法，解决了量子观察引起的坍缩问题，为量子计算的实现扫清了巨大障碍。在此之前，量子计算在很大程度上被视为一种思想实验；而此后，科学家们开始认真考虑量子计算机实现的可能性。

此外，美国计算机科学家格罗弗在1996年提出了量子搜索算法（Grover算法）。该算法利用量子叠加态进行快速搜索，能够在平方根的时间内找到目标项。这一算法的提出进一步证明了量子计算在处理特定问题时的巨大优势。

随着量子计算算法的不断突破和进步，人们开始相信实际构建一台量子计算机在原理上是可行的。于是，实验物理学家和工程师们正式登上了历史舞台。他们开始尝试各种方法来实现量子计算机。

目前，量子计算机的技术路线有多种，其中超导量子计算是主流之一。1999年，日本NEC公司首次展示了超导电路控制量子比特的方法。

全球范围内走超导路线的量子计算机占比高达42%。除了超导量子计算外，还有离子阱、光量子、中性原子、硅自旋以及拓扑技术路线等多种选择。其中，离子阱路线占比38%，也是非常重要的一个方向。然而，每种技术路线都有其独特的优势和局限性。例如，使用光镊困禁中性原子或使用电磁陷阱困禁离子的方法虽然相干时间长，但可扩展性差。

超导量子比特芯片加工工艺与半导体行业微纳加工工艺相似，具有器件结构尺寸较大、成品率高、耦合容易且形式灵活多样、可扩展性高以及操控速度快等优势。这些优势使得超导量子计算成为最有可能实现通用量子计算的路线之一。

设备

科学家们只有能对量子精确控制，使其进入并维持在量子态，才有可能进行高效计算操作。然而，量子控制的难度之大，远非传统技术所能比拟。尽管早在1999年，超导量子计算机的概念就已提出，但将其从理论转化为实际工程应用，仍需跨越重重难关。

俞大鹏院士上世纪90年代便对量子计算产生浓厚兴趣，深知这一领域的门槛之高。“量子计算，无疑是科学界的贵族领域。”他坦言，“它不仅需要高精尖的设备支持，更需投入巨额资金。当时，国内具备这样条件的单位屈指可数，北大、清华等少数名校方才有此实力。”量子计算的核心，在于对量子态的精准操控，而非简单的原子层面操作。因此，高精尖的设备成为了不可或缺的基石。

在北大深耕纳米材料研究的二十年间，俞大鹏院士逐渐掌握了量子调控的技艺。纳米结构中的量子效应，为他的研究提供了宝贵的经验。通过对纳米线施加电、磁、热、光等多种外部刺激，他深入探究了量子态的性质及其调控规律。这些技术，不仅为纳米材料的研究开辟了新径，更为后续的量子计算研究奠定了坚实基础。

2016年，俞大鹏院士携手南方科技大学与深圳当地政府，共同创立了深圳量子研究院。在历经多次选址后，研究院最终在福田落户，拥有了一万多平方米的办公空间。这一举措，不仅为量子计算的研究提供了全新的平台，更标志着我国在量子计算领域迈出了坚实的一步。

2018年，面对量子计算可能遭遇的技术封锁，俞大鹏院士展现出了前瞻性的战略眼光。他开始着手布局支撑我国量子计算的根技术和核心工具，其中电子束光刻机尤为关键。作为加工量子芯片和量子器件的核心设备，电子束光刻机的自主研发对于我国量子计算的发展至关重要。在广东省科技厅的大力支持下，深圳国际量子研究院成功实现了电子束光刻机的国产替代和自主可控，为国内多家科研机构提供了紧急支持，实现了从0到1的突破。

2019年，深圳国际量子研究院又踏上了新的征程——研发制冷机。对于超导量子计算而言，低温环境是维持量子态稳定的关键。稀释制冷机能够制造出接近绝对零度的极端低温环境，为量子计算提供了必要的保障。目前，该制冷机已实现小批量生产，并取得了技术上的重大突破。

如今，深圳国际量子研究院已实现了设备的自主可控和全链条自主加工，不仅提升了我国在量子计算领域的国际竞争力，更为南方科技大学的物理学科注入了新的活力。该学科在研究院的支撑下，跻身全国前列。

深圳国际量子研究院

在深圳国际量子研究院的实验室里，可以看到科学家们为量子计算所做的各种尝试和努力。实验室里非常安静，工作人员在静静地工作着，机器也几乎没有发出任何噪音。这里的研究范围非常广泛，包括超导量子计算、离子阱计算等多个方向。实验室里摆放着各种仪器和设备，工作人员不仅要操作这些仪器进行实验，还要根据实际情况对仪器进行改造和优化。

记者在现场看到了一台超导量子计算机。最显眼的部分是稀释制冷机，它扎满了铜管，从上到下逐渐缩小，逐层把温度降低到接近绝对零度。而超导量子芯片作为核心零部件，则位于稀释制冷机的最下部，显得非常不起眼。

这台机器还需要配备室温操控系统来读取并指令量子比特进行工作。室温操控系统通过低温信号传输系统与量子比特进行连接和通信。此外，还需要低噪音和磁场屏蔽的设备来确保量子比特不会受到外界环境的干扰和破坏。因为热和光等噪音会导致量子退相干现象的发生，使得量子比特失去其量子特性（叠加和纠缠）以及存储的信息。

当然，这台机器还需要接入到经典计算机中进行控制和管理。因为尽管量子计算机在处理某些特定问题时具有巨大优势，但它仍然需要经典计算机来辅助完成一些基础性的工作和任务。

深圳国际量子研究院与著名科学家潘建伟团队共同证明了薛定谔波动方程中负数根号的重要性，这一发现解决了长达一个多世纪的学术争议。

量子计算作为前沿科技领域，其运算过程与传统计算机存在显著差异。由于量子态的不稳定性，从命令发布到执行均难以保证绝对准确，因此提升量子计算的纠错能力显得尤为重要。针对这一难题，深圳国际量子研究院超导量子计算实验室的助理研究员徐源课题组，携手福州大学教授郑仕标及清华大学副教授孙麓岩等专家，通过实时重复的量子纠错技术，成功延长了量子信息的存储时间。这一突破性成果已在《自然》网站上发表，引起了国际学术界的广泛关注。

今年2月29日，国家自然科学基金委员会揭晓了2023年度“中国科学十大进展”，深圳国际量子研究院的上述量子纠错研究成果入选，被誉为“容错量子计算领域的一个重大里程碑”。

据俞大鹏院士介绍，量子计算机的错误率远高于经典计算机，达到了13个量级的差异。因此，如果不进行纠错处理，量子计算机将难以发挥其实用价值。然而，传统的量子纠错方法往往会引入新的错误，导致纠错效果适得其反。深圳国际量子研究院的研究团队通过创新技术，成功打破了这一僵局，实现了量子纠错的增益和效益，即“越纠越对”的良性循环。

在谷歌公布其最新量子计算机实现纠错盈亏点的消息之前，中国科学家已领先一步实现了这一关键性突破。

挑战

目前，量子计算机仍处于量子霸权或量子优越性阶段，即虽能证明在某些特定问题上比传统计算机更快，但尚未实现实际应用价值。

俞大鹏院士认为，量子计算机的研发是一项世纪系统工程，挑战着人类操控微观世界的极限能力。目前，量子计算领域存在多种平台和技术路线，但尚无定论哪种将最终胜出。每一条技术路线都存在着潜在的缺陷和未知风险。前几年，曾有科技团队在权威杂志上发表文章，声称突破了拓扑计算的短板，但最终因无法复现实验结果而撤稿。

经典计算机的发展历程，为量子计算提供了有益的借鉴。从笨拙到灵敏，经典计算机的发展离不开一代代科学家的不懈努力和晶体管的发现。然而，在量子计算领域，科学家们仍在探索合适的材料和方法。尽管已经取得了一些进展，但未来仍充满不确定性。那些看似停滞不前的技术路线，也可能因某个突发的发明而迎来突飞猛进的发展；而那些尚未被发现的路径，或许正隐藏着通往量子计算终极目标的钥匙。

科学家正在积极探索，即使某些尝试最终证明是此路不通，也是通往成功之路上不可或缺的宝贵经验。谷歌量子AI实验室负责人哈特穆特·内文曾预测，能够实际应用于商业场景的量子计算机在2030年之前可能不会出现。但科学家们相信，只要坚持不懈地努力下去，总有一天能够揭开量子计算的神秘面纱。