中科院院士俞大鹏：万物皆可量子 重构算力边界

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（来源：俞大鹏 企业家杂志）

目前，量子科技已成为国家战略科技力量的重要方向。身处数字时代，算力正在成为数字经济和国家竞争力的重要底座，而量子计算有望在若干特定问题上突破经典计算体系的能力边界。若未来通用量子计算机真正实现，并与人工智能、材料科学、生物医药、密码安全等领域深度结合，它可能重塑多个关键产业的技术边界。因此，发展以量子计算为代表的量子信息技术，既是时代之需，也是未来之争中的战略选择。

《企业家》杂志

弘扬企业家精神 传播管理智慧

俞大鹏

中国科学院院士

深圳国际量子研究院院长

北京大学物理学院教授

一

万物皆可量子，人人皆可量子

宇宙万物，从宏观天体到微观粒子，都可以追溯到更底层的物质结构与运动规律。我们所熟知的一切宏观现象，其底层基元的运行规律最终离不开量子力学。量子力学常常反直觉，却正是现代科学理解微观世界的基本语言。宏观与微观并非割裂的两个世界，而是同一自然规律在不同尺度上的呈现。

量子力学致力于揭示物质最基本构造单元及其运动规律。它不仅是一套解释微观世界的理论，也构成了现代材料、化学、信息技术和精密测量的科学基础。正因为如此，理解量子力学，实际上就是理解现代科技体系的底层逻辑。

倘若将常见物质比作一座大厦，原子就是构成稳定物质结构的重要“砖块”。原子以上的物质结构在日常尺度上表现得相对稳定，但原子内部并不是一个实心小球：原子核只占原子体积极小的一部分，电子则以电子云的形式分布在原子核周围。正是在这种看似空旷却高度有序的微观结构中，量子力学决定了物质的化学性质、光学性质和电学性质。

从微观角度看，一个人体大约包含 10^27—10^28 量级的原子。这个数目极其庞大，也说明每个人都可以被看作一个由巨大数量微观粒子组织起来的复杂系统。所谓“人人皆可量子”，并不是说每个人都要成为量子物理学家，而是说我们所处的物质世界、生命系统和技术文明，本质上都建立在量子规律之上。

从粒子物理的角度看，普通物质主要由电子和夸克等基本粒子组成；电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用以及引力共同支配着物质世界的结构与演化。光子、胶子以及其他规范玻色子则对应不同相互作用的传播机制。若借用老子“道生一、一生二、二生三、三生万物”的表述，其中的“道”可以理解为支配万物演化的底层规律。

因此，“万物皆可量子、人人皆可量子”更准确的含义是：量子科学并非少数实验室中的神秘概念，而是现代科技和产业体系共同依赖的基础科学。

二

量子力学最成功的应用是电子信息技术

量子科技绝非时髦的空泛概念。事实上，以电子信息技术为主导的现代工业体系，包括半导体芯片、手机、互联网、通信网络和各类智能终端，其科学根基都离不开量子力学。

量子力学最成功的应用之一，是以固体能带论为核心的现代电子信息体系。通过能带论，我们能够理解价带、导带和禁带的形成，并据此区分导体、半导体和绝缘体。第一次量子革命孕育了以电子信息技术为代表的现代工业体系。虽然芯片等器件在宏观运行时并不总是直接表现出“神秘”的量子效应，但其工作原理深刻依赖量子力学所揭示的固体能带结构。

那么，为何还要提出以量子计算为代表的第二次量子革命？主要源于三个驱动力。

第一是需求。大数据、人工智能和数字经济对算力提出了前所未有的要求。以晶体管为例，今天的先进芯片已经能够集成数量极其庞大的晶体管。晶体管好比水龙头，通过控制电流的开关实现 0 和 1 的逻辑运算。然而，当晶体管尺寸不断逼近纳米尺度时，量子隧穿、漏电、散热和能耗等问题愈发突出，传统数字计算的物理和工程极限正在逼近。与此同时，全球数据规模仍在高速增长，单纯依靠经典计算体系的线性扩展，难以长期满足对算力和能效的双重要求。正是这样的需求，将量子计算推向前台。

需要强调的是，量子计算机并不会全面取代经典计算机。经典计算机仍将是信息社会的基础设施，而量子计算机更适合处理某些经典计算机难以高效完成的特定问题，例如量子体系模拟、部分优化问题、密码分析以及特定采样任务。未来更可能出现的是经典计算与量子计算协同工作的混合计算体系，而不是一种计算范式简单取代另一种计算范式。

第二是量子科学本身需要继续发展。早期量子力学先驱，如爱因斯坦、薛定谔、普朗克等，都曾对量子世界的某些特性感到困惑。爱因斯坦尤其难以接受量子力学中的随机性，也对量子纠缠所体现的非经典关联提出质疑。后来，贝尔提出不等式，为检验这类争论提供了可实验判定的准则。随后的大量实验表明，量子纠缠是真实存在的，微观世界确实不能完全用经典直觉解释。

2022 年诺贝尔物理学奖授予阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格，以表彰他们通过纠缠光子实验验证贝尔不等式违反，并开创量子信息科学。这一奖项说明，量子信息并不是凭空出现的新概念，而是量子力学基础问题长期发展的自然结果。

第三是能力提升。早些年谈及量子计算，往往近乎天方夜谭，因为量子态极其脆弱，相干时间很短，操控和读出都面临巨大困难。今天，人类对微观世界的操控能力已经发生质变。在超导量子比特、离子阱、光量子、硅基自旋、冷原子和拓扑量子计算等多条路线中，科学家和工程师正在持续提高量子态制备、操控、读出和纠错能力。

例如，朱棣文、克洛德·科昂-塔努季和威廉·菲利普斯因发展激光冷却和俘获原子的方法获得 1997 年诺贝尔物理学奖。这类基础研究极大提升了人类操控微观粒子的能力。再加上极低温、超高真空、微纳加工、弱信号探测、精密测控和低噪声电子学等技术的进步，那些曾经“不敢想”的事情，正在一步步成为可以验证、可以工程化推进的现实。

三

量子计算仍处于解决特定复杂物理问题阶段

量子计算机是一项挑战人类操控微观世界极限能力的世纪系统工程。目前，量子计算平台呈现多元化发展态势，包括超导、离子阱、光量子、硅基自旋、中性原子和拓扑量子计算等路径。究竟哪一条路线能够在通用量子计算上率先实现突破，尚无定论。

我们需要深刻认识到，“人人有责”不是重复建设，更不是每个单位都去造一台量子计算机，而是每一位科研工作者、工程师和企业家都应在各自擅长的环节中，把单项技术打磨到极致。量子计算的难点从来不是单一物理概念，而是材料、器件、加工、测控、制冷、软件、算法和系统集成的整体协同。

那么，量子计算目前处在怎样的水平？可以说，我们已经在若干特定任务上看到了量子计算优越性的实验展示。2019 年，谷歌“悬铃木”量子处理器在随机线路采样任务上展示了量子计算优越性。随后，我国“祖冲之”超导量子计算体系和“九章”光量子计算体系也在各自平台上取得重要进展，特别是在随机线路采样、高斯玻色采样等问题上显示出量子设备的潜力。

不过，这些成果主要证明量子设备在特定问题上的优势，并不意味着通用量子计算机已经到来。真正面向实用的量子计算，还需要跨越高保真操控、规模化集成、量子纠错、长期稳定运行和工程可维护性等多重关口。

从理论上讲，N 个量子比特可以描述 2^N 维量子态空间，这是量子计算潜力的重要来源。但必须讲清楚的是，量子态空间的指数增长并不等于所有计算任务都会获得指数加速。能否真正转化为计算优势，取决于具体算法、问题结构、噪声水平和硬件可控性。

从保真度来看，当前不同技术路线的单量子比特门、双量子比特门和读出保真度都有显著提升，但与经典计算相比，量子计算的错误率仍然高得多。经典计算可以通过成熟的冗余、校验和容错机制实现极高可靠性，而量子态不能被简单复制，量子测量还会改变系统状态，因此量子纠错远比经典纠错复杂。

量子纠错是通向通用量子计算机的核心门槛。若不进行纠错，大规模量子算法很难稳定运行；但纠错本身又需要大量冗余量子比特、高保真操作和快速实时译码。只有当物理错误率低于一定阈值时，增加编码规模才可能降低逻辑错误率。因此，量子计算当前真正的挑战，并不是物理原理是否成立，而是能否把材料、器件、控制、算法和系统工程同时推进到足够高的水平。

四

量子计算任重道远，不要捧杀，也不要棒杀

量子计算机的研制需要各行各业协同作战，绝非简单的重复性建设。当前，量子计算已跨越早期概念验证和优越性展示阶段，正在面临从专用量子计算设备迈向可扩展、可纠错、可应用量子计算系统的关键转折。这个过程需要产业链上的每一家企业、每一个团队，在自己的核心环节上形成世界级能力。

对企业而言，参与量子计算并不意味着每家公司都要造整机。真正重要的是在低温制冷、精密测控、微波器件、光电子器件、真空系统、材料制备、芯片加工、控制软件、编译系统和算法工具链等环节中找到自己的位置。量子计算是一项系统工程，任何一个关键环节做到极致，都可能成为未来量子产业链中不可替代的一环。

我国现有工业体系已经具备相当基础，但也面临不少挑战。如果每个关键环节都要从零开始，将极大延缓整体创新进程。相比之下，先进国家在部分领域已经形成较为成熟的标准化流程和供应链协同能力，设计、采购、加工、封装、测试等环节衔接更为高效。这正是我国在量子计算研发和产业化道路上亟待补强的地方。

关于创新，我想从三个维度来理解。

第一，拒绝跟风，做原始创新。当下“什么热做什么”的跟班式研究，本质上是一种内卷。真正有价值的创新，往往需要把冷板凳坐热，做出让别人跟随我们的原创性成果。

第二，追求极致，追求原创。很多关键技术在早期看似“没用”，但只要做到极致，就可能成为未来产业变革的基础。三百六十行，行行出状元。科学研究和工程技术没有高低贵贱之分，任何领域只要做到足够深、足够精，都有可能产生不可替代的价值。

第三，注重应用，切忌玩弄“奇技淫巧”。尽管通用量子计算机可能仍需多年发展，但我们不能因此坐等。任何时候都要考虑技术的实际应用价值。正如汤姆逊当年发现电子，虽然在当时难以立即预见其具体用途，但这一发现最终深刻改变了人类文明。今天的量子计算也需要这种长期主义：既要尊重基础科学的探索规律，也要重视工程转化和产业生态建设。

量子计算，路阻且远，既不要捧杀，也不要棒杀。我们需要持续加强人才储备，着力构建量子信息技术生态链，让科学家能够专心做科学探索，让企业能够专注于工程转化与产业化推进。

量子计算，人人有责。只有每个人把自身行业和领域做到极致、做成艺术品，才有可能汇聚成面向未来的颠覆性算力，真正重构人类计算能力的边界。

编辑 张冰馨