21对话｜中科院范桁：中国的量子计算机科技取得前沿性推进

21世纪经济报道记者 赵云帆 报道

1月29日，全球顶级科学期刊《自然》杂志刊登了中国科学院物理研究所在量子计算领域的研究成果，科研团队创新性地采用随机多极驱动(RMD) 技术，通过调节驱动序列的复杂度和节奏，成功实现对预热化平台持续时间的精准控制。

2019年，谷歌基于53量子比特超导处理器"悬铃木"，在随机量子电路采样任务中，仅以200秒时间完成当时最强超算需1万年以上的计算量，引发全球对量子计算实现“量子优越性”的空前关注。

然而，量子计算实现通用计算，并超越经典计算机的终极梦想，仍有待学界有效对抗量子退相干，实现量子纠错，提高量子计算稳定性和存储信息能力的方式来获得，而量子预热化平台是量子系统保持信息存储的重要技术，也是人们尚未完全理解和控制的复杂系统特殊性质。

此次中科院物理研究所通过设计随机多极驱动协议，在78量子比特"庄子2.0"芯片上首次观测到可调控的预热化平台，不仅验证了全球量子计算领域近年一系列重要理论成果，还进一步验证了“量子优越性”的存在，预演了全球量子计算发展可以“沿途下蛋”，不断解决具有科学价值的科研问题，为量子计算投入获得正向反馈并实现指数级跨越的未来奠定基础。

近日，21世纪经济报道记者采访了论文共同通讯作者，中国科学院物理研究所研究员、博士生导师、固态量子信息与计算实验室主任范桁，就此次研究的突破，以及未来量子计算的发展，为我们进行了解答。

21世纪：此次研究的突破之处在哪里？

范桁：随机多极驱动预热化实现是过去从未实现过的实验。此次我们在一个达到78量子比特的超导计算平台上完成。当然，这并不是当前最高比特数的超导芯片，但也属于国际先进水准，事实上最近《Nature》许多文章在做量子模拟时用了50、60多量子比特的模拟器，也有一些工作用了100，甚至100量子比特以上芯片去完成。但是科学研究的关键是解决问题，只要能把问题解决清楚，就是一个具有科学价值的工作。

量子计算机有专用和通用的区分。比如过去最早的“计算机”就是专门用来计算弹道的，又比如空气动力学可以用风洞实验也可以用计算机计算，风洞就相当于是一个模拟机，它不是通用的数字式的计算机。我们这次的工作相当于是一个专用的量子计算机，但是当前量子计算机，不论是专用量子计算机还是通用量子计算机实际上构架是一样的，只是在使用方法上可以用对应模拟的专用方法或者逻辑门量子线路的通用方法。但是量子计算机至少在现阶段，一个重要的目标是寻找实际应用的。

因此，基于现阶段量子计算存在噪音干扰、有错误率的现状，我们仍然要把量子计算用起来，去解决一些科学的问题，就像我们这次的工作一样，研究在量子多体系统在随机多极驱动的情况下，预热平台到底在不在。

这个理论在小规模的情况下，或是说在基于理论推导的情形下应该是存在的。但是我们不清楚在大规模量子比特系统的情况下存不存在。在小规模的状态下，经典计算机是可以计算的，但是在78量子比特的情况下，就超出了经典计算机的能力，这也是此次实验要回答的科学问题。

当然，由这个问题衍生的问题还有很多，比如预热化平台能否调控，是不是能在某种程度上延长，热化规律究竟如何等。总的来说，我们基于非常先进的量子计算平台或量子模拟器，解决了一个量子多体研究领域非常具有科学价值，但没有现成答案的问题。我们整个完成过程都做的非常仔细，精度很高，结果也很可靠。

同时，我们用“沿途下蛋”地思路给出了一个量子计算机的应用案例，这相当于是把量子计算机建造和使用的科技前沿，又往前推进了一步。这就是其现实和科学意义。

21世纪：我们是如何想到“用量子计算机来研究量子计算”的？

范桁：过去，我们理论工作者已经提出了多级驱动的方案，他们预期在这种情况下有可能会有预热化的平台，但是这只是一种理论预期。在这个问题上，经典算力无法满足解决上述问题的算力要求。反之，量子计算虽然在置信要求较高的领域存在精度问题，但用来回答“yes or no”的问题时却是可以做到的。

我们的工作其实也有一个故事，这个故事是这样的：2019年，谷歌发布了一则用量子计算在200秒时间计算经典计算一万年也得不到的结果，证明了量子优越性的存在。但是2022年，中国科学院理论物理研究所的张潘团队使用经典算法张量网络和并行GPU计算集群，仅在15个小时就完成了这样的任务。在超级计算机上，这个时间可以被压缩到几十秒。所以张潘老师当时的工作证明了并非经典计算的算力不足，而是没有采用正确的算法和技术来计算谷歌的问题。

所以，这次，我们也请张潘老师来利用先进的张量网络计算方式来计算预热化问题。结果发现经典计算只能在开始的时候和量子计算结果一致，比如我们的总演化时间是两微秒，但经典计算仅在演化的前三分之一时间和量子模拟结果一致，后续计算结果和实验结果就不一致了。

也就是说，结果来看，我们用量子计算在做这个问题的时候，比一些已知的先进经典计算还要强。

21世纪：这个结果也证明了量子优越性？

范桁：量子优越性现在还没有一个非常良好的定义，为什么呢？量子优越性意味着经典计算所有的算法都不如量子计算，我们才能下这个结论。我们不能说，故意找一个笨的算法去比较，就说比经典算法好。这次我们的结果是在现有的知识和已知算法下，（量子计算）能在预热化问题上展现出优越性。

我自己认为，量子优越性是一个长期发展的过程，就像比较马车跟火车谁厉害？不同阶段有不同的结论，但是到最后，量子计算机当然发展得比较快，因为原理上来说量子计算有这个潜力。当然，中间的这个过程是一个此消彼长的过程，并不是一天就能完成的。

我们在这个方向作出了中国贡献。过去的一年中，有四五篇国外团队的工作都宣称他们获得的量子计算结果比经典计算好，也都发了《Science》或者《Nature》。这次我们在量子模拟或凝聚态物理的量子计算模拟方面也实现了超越经典算法。当然在宣称方面还是需要谨慎，量子优越性需要多种方法验证。

21世纪：现在我们是否可以将研究结论进行实际应用？

范桁：我们在做的基础研究，是凝聚态多体物理中的重要科学问题。我们在撰写摘要的时候也说，量子系统的热化会导致信息的丢失，就像你在雪地上写了一个字，但雪受热融化之后，这个字就不存在了。

量子系统也是这样，要存储信息，你就需要避免给它“加热”。因为不断“加热”，这个信息就容易丢失。所以预热化这一研究对量子系统的信息存储是有用的，它为其在量子系统完全丢失信息之前提供了一个窗口期。当然，这只是一个潜在应用，也并不是说我们未来就一定会用这个方法来保护信息存储。

现在，我们只是给了这个问题一个暂时性的结论。后续我们依然会去寻找别的问题。我如果想用量子计算去解决更多的事情，肯定还是需要进行更多的探索和研究，要建立不同性能的平台去做。

21世纪：未来的量子计算会如何发展？

范桁：大家一直在问量子计算机到底有什么用？从现在来看，在许多的科研，比如物理、化学甚至人工智能领域，都需要依托量子计算来实验或展现其性质。所以，未来，在量子计算平台成为一个必不可少的常用科研工具的时候，它的作用便会体现出来。

这就好比，过去超级计算机刚建成的时候，也有一段时间处于闲置状态。而今天国家建设了这么多的超算，很大程度上是因为对其有需求，在使用它，在不断的产生价值。

量子计算机也会是这样。换句话说，我并不期待（量子计算）会突然有一个“杀手级应用”，一下子赚取很多利润——我不是这样理解的。我认为量子计算在未来五到十年中，主要会体现科学价值层面。

当前量子计算机还有很多技术障碍，大规模的量子计算还存在精度问题。其次，量子计算的技术路径还没确定。比如这次我们采用的就是超导量子计算，但是无论是中性原子还是离子阱量子计算都发展得很好。最后，哪一种是最经济，或发展最好的，现在还不清楚，需要等待技术路线的收敛。

最后，我们还要解决精度问题和扩展性问题，随着精度的提升，量子纠错会有大的发展，最终实现基于纠错的通用量子计算机。但到底哪种方案可以实用化，或者在经济上可承受，我自己仍没有一个特别的预期。

在完成高精度以后，我们就会向百万量子比特发展，我估计大概是十年左右。

21世纪：十年会是一个很快的时间？

范桁：这个问题非常有意思。我个人是在2000年进入这个领域的。那时候有个测评，问量子计算什么时候能用，我想当时大多数人的想法是五十年。

这个选择的潜台词就是当时还看不到什么前景。但是放到现在，大家的预期其实已经相对乐观了。虽然即便是同样乐观，不同人预期的时间也会相差十到二十年，这是很正常的事情。但我自己觉得还是非常有希望的。因为它确实是一个变革性的技术。

比如我们谈到量子计算可能呈现“指数级发展”，因为在精度很高的情况下，多一个量子比特，相当于在经典计算中的资源就要翻倍，即从原理上来说，量子计算的潜力非常大。

而与此同时，人类对算力的渴求是无穷无尽的，但当我们在寻找下一代的（计算机）解决方案到底是什么，对比很多其它技术方案，可能还是量子计算更具前景一些。