科工力量：176比特超导量子计算机“祖冲之”上云，什么水平？

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来源：腾讯网时间：2023-06-17 15:16:18

导读：5月31日晚，176比特“祖冲之号”量子计算云平台正式上线，面向全球用户开放。这刷新了我国云平台的超导量子计算机比特数纪录，将进一步推动量子计算软硬件发展及生态建设。什么是超导量子计算机？量子优越性是什么？量子计算领域要争夺的下一座“天王山”是什么？为什么要与谷歌、IBM争夺产业生态主导权？中国科学技术大学教授、“祖冲之号”量子计算总师朱晓波，“祖冲之号”量子计算常务副总指挥、国盾量子董事长彭承志接受观察者网等媒体记者采访，以下是经整理后的现场记录，经受访者审定，有一定删减和调整。

受访者朱晓波（左）、彭承志（观察者网摄）

(资料图片)

问：2021年的“祖冲之二号”有66比特，而今天我们上线的云平台的“祖冲之号”同款量子计算机有176比特，请问技术进步主要体现在哪些方面？

朱晓波：

其实我们当时在2021年推出的“祖冲之二号”就是176比特，只不过对外公布的、可以让外部接触到“祖冲之号”是66个比特，还有110个比特是耦合比特，主要作用是大幅提升比特和比特之间的操控精度。这次“祖冲之号”上云，我们觉得有必要给公众展示本来的面目，所以也提供了那110个比特的接口，使得公众可以访问到全部的176个比特，这就是我们做的升级。

彭承志：

“祖冲之二号”这个云平台更多的是面向云端用户。这次把所有的比特都向公众开放，是想看看能不能碰撞出新的想法，同时也是想做一个联系产业生态、向公众科普的好平台。

问：量子计算的原理是什么？量子纠缠、量子叠加是什么？

朱晓波：

量子纠缠是算力的基础，如果一台量子计算机连纠缠都没有做到，那它是实际上就是2个量子比特放在那里，没有任何关系。2个量子比特如果纠缠起来，就会有幂次方维度的增加，2个比特是4个维度，3个比特是8个维度，但是如果3个比特没有纠缠起来就是3个2个维度，如果纠缠起来就是8个维度。比如12个比特，两两纠缠和12比特纠缠的对比，就是6组4个维度空间和2的12次方个维度空间的区别，这完全不是一个量级。所以量子纠缠是算力的基础。

“祖冲之”号超导量子计算机（观察者网摄）

彭承志：

量子计算和传统计算机的并行计算不一样。并行计算每一个核可以独立完成不同任务，量子计算不是，量子计算要求所有参与的比特必须能够建立起量子纠缠，这种量子纠缠会帮助量子计算机在一些特定问题上体现出量子加速性能，所以要用实验去证明这一点。

目前的量子计算机还不能提供通用算力，需要针对具体问题设计特定算法。为什么我们要针对随机线路采样问题做量子优越性的展示？因为在这个问题上，量子计算机的加速特别明显，能体现出更高的优越性。在破解密码上，Shor算法能够大大提升logN的计算速度。

我们现在所处在阶段是，要把量子计算机要做好，还要寻找更好的算法，解决在现实生活中有应用价值的问题。只有解决了这几个问题，量子计算才能真正迎来广泛使用的春天。

问：刚才提到的“量子优越性”是什么？

朱晓波：

量子优越性在国外有一个更加响亮的名字，叫量子霸权。实际上，它是指从学术上找一个问题，估计在经典计算机中的复杂度，也就是对要花多少时间或者要多少存储器严格度量，最后拿这个问题放到量子计算机中进行计算，再做比较。这个问题，如果经典计算机完全没办法计算，只有量子计算机可以计算，或者用经典计算机中最牛的超算计算得需要几万年或者不可以实现，那我们就是可说这是量子霸权。后来，我们觉得“霸权”这个词有点负面，用“优越性”会更准确。简单来说，就是经典计算机在这个问题上算不过量子计算机。

纠错，和谷歌、IBM争夺下一座“天王山”

问：近两年量子计算机领域都有什么进展？

朱晓波：

毫无疑问的是“祖冲之二号”、“九章”、“悬铃木”、“北极光”这些量子计算机的量子优越性被证明，对科学家们来讲，这是非常大的里程碑。

第一，理论上，量子计算机有比经典计算机更优越的地方，现在我们终于用实验证明之前的物理理论是对的，量子计算机就是算得过经典计算机。第二，谷歌和我们都做了一些“纠错”的原理类验证，证明量子计算在原理上没有问题。将来，我们如果要做一个通用的量子计算机，就要把错误降下来。这就是最近两年做量子计算领域的进展。

彭承志：

“纠错”这个问题确实是非常重要。量子比特每一次“门”操作都是有错误率的，这样的错误可以累积下去，可能一个比特操作几十次后，被发现变成没有意义的东西。现在很多团队宣传量子比特数量，目前，确实可以打印出1000个比特，但不能对它进行有深度的操控，第一千个比特和第一个比特根本连接不起来，是没有意义的。实际上，我们要把量子计算机做到可以和经典计算机一样基本没有错误。实现了纠错以后，量子计算才具有真正的意义。

以前，纠错是越纠越错，朱老师说的“原理类验证”，是说现在我们证明可这个纠错可以越纠越好，但是现在还不够好。比如现在做两、三百次就错一次，最好几百万次才错一次，这是量子计算机下一步要突破的“天王山”。

现在只是处于中间的一个节点，还没有真正实现。我们希望在3-5年左右的时间里实现纠错。这是继证明“量子优越性”以后，量子计算要实现的的第二个里程碑，也是要争夺的“天王山”。我希望朱晓波的团队能率先实现。不过不管将来谁率先实现，都是人类在计算领域的巨大进步。我们也期待这一天能够早点到来。我们希望把具备纠错能力的云平台在3年左右的时间内发布出来，到时不仅要做到纠错，还要能够展示一些具有应用价值的量子优越性。

未来3-5年内，谁能率先实现这些，谁就能真正用这个云平台去赚钱。不只是面向兴趣用户和科研用户，而是可以真正售卖算力。再往后，10-15年左右的时间看能不能推出一个通用量子计算机云平台，几乎没有错误，可以实现所有的量子优越性，比如量子计算、量子组合优化、量子破译密码、量子气象预报……不仅仅提供某一类的算力，而是几乎在所有量子优越性可以展示的地方，都可以有很丰富的算力。

总之，量子计算的算力在3-5年内能实现售卖就是我们想做的事情，也是外国关注的焦点。

问：那么，量子计算还不能单独提供通用算力，今后我们是不是要朝着量子计算和经典计算融合的路径发展？

彭承志：

“超量混合”的根本思想，是把超级计算机和量子计算融合起来，融合的方式是希望把经典计算机算不了的问题，或者计算比较困难的问题，或者算起来能耗比较高的问题，转到量子计算上。只要量子计算能够算得比超算经济，就可以产生商业价值。

目前的量子计算机，更像服务器，而不是家庭计算机。说它像一台服务器，是因为它跑在超算云端时，会更多地发挥整个计算任务中协助器的功能。早期的计算机中是有“协处理器”的，如果在某些方面，量子计算机能够提供更经济或者更有效的解决方案，就可能成为超算的协助处理器，这可能是更早、更容易看得到的应用路径。

围绕超量融合，我们接触的合作伙伴也比较多，包括教学领域、金融研究领域，现在都还是试用，甚至有人工智能领域和我们合作发了一些文章，这也促使我们这次把云平台做出来，让更多人使用。这给我们带来了更多灵感，推动了这个领域的进步。

问：量子计算在未来5-10内年可以达到百万比特的水平吗？我们可以做出电影《流浪地球》里MOSS那个程度的量子计算机吗？

朱晓波：

MOSS在科幻片里是无所不能的，但即便我们做出通用的量子计算机，它能力的边界到底有多大现在也不清楚。我们能确定的是，它能干什么事情，比如可以做量子优化，可以解析密码等等。但是大家要有一个基本共识，那就是它不可能什么事情都能干，量子计算机很可能是对传统经典计算机的补充。我们可以把一些特别困难的问题交给量子计算机，把另外一些经典计算机处理的很好的问题还是交给经典计算机。所以二者应该是融合在一起，而不是谁完全把谁革了命。

中国不用“弯道超车”，只需保持领先

问：我们的量子计算能不能打破现有的摩尔定律和黄氏定律，从而实现弯道超车？今天上线的云平台，能不能提供类似人工智能或者大模型方面的训练？如果现在还不能提供，那么大概什么时候才能提供？

彭承志：

现在讲得比较多的一句话是弯道超车，不管是弯道还是直道，大家都是想追上去的。

量子计算这条赛道比较好的一点是，现在全世界的研发团队都处于早期，而且在比较早期的时候，我们中国的科研团队就已经跻身世界前列了，所以不太可能要面临像传统半导体领域那种情况，就是路径已经非常成熟了，我们得一步一步地追赶上来。从这个角度来说，我个人比较有信心，当然朱老师有他自己的想法。量子计算如果在未来成为人类算力的最强来源，那么中国人在这个领域里一定会有一席之地。

问：我们现在开放“祖冲之号”云平台主要基于哪些考虑，有哪些新的问题和挑战需要我们去解决？

彭承志：

为什么要做量子计算云平台？第一个原因是不服气。因为我们科研出身的人喜欢做从0到1的事情。IBM做云平台的时候，我们已经有一个11个比特的云平台，好几万的用户在上面做过一些实验。但当时云平台能做到的事情确实很少，用户们在上面玩一玩、做一做就结束了。

后来，也就是在两年前，我们对那个云平台进行了升级，吸引大量的科研用户登录，大家都好奇用云平台能干什么，其他人在干什么，其中也有一些产业用户在一起试用。

IBM和谷歌钱多，人也多，他们的云平台说是开放给大家一起用，很不幸的是，谷歌的云平台一直是申请制，我们中国的IP申请得不到通过，IBM的平台也限制中国用户的使用。因此，我们还是决定要自己做一个高性能的云平台。

其实从科研的角度出发，做云平台是件费力不讨好的事情。因为大部分的工作不是在提升量子计算本身的性能，这方面90%以上的科学工作都已经在“祖冲之号”实现量子优越性的过程中完成了。从资源的角度上看，我们不可能对云平台进行无限的投入，但是如果后面有好的算法，好的研究方向，我们也会继续开放新的云平台来做这个事情，也会和合作伙伴一起做这个事情。

谷歌和IBM不带我们玩？上云，生态之争

问：目前超导量子计算机的产业生态进展如何？有没有“卡脖子”的风险？

彭承志：

这么说吧，量子芯片来源于“祖冲之”团队，来源于朱老师。我们也在配合朱老师开发系统，这和经典的电子学设备很相似，利用企业的优势，包括供应链管理、质量管理的优势，最后实现批量生产。用到的线缆等组件，都会有供应链上的伙伴提供。还有一部分是软件，包括整个云平台的架构、人机交互的编译器的软件等，正在通过软件及其他合作伙伴，初步构筑这个生态。云平台的特点是给大家用，用得越多越好，使用本身就是我们的财富。

朱晓波：

IBM的上云对生态推动做的更好，据我们所了解到的，他们有个几百人的团队在运营这个云平台。好处在于，不管有没有用，从软件到硬件到应用等各个方面，IBM至少把整个生态都建起来了。

彭承志：

他们建立起自己的生态之后，就会有一套他们的编程语言、操作模式，现在世界各地的学者都在用他们的东西，还不让我们用，这一点很不好，是让我们很担忧的。如果未来的量子计算都是用他们的操作系统或者编译器……

朱晓波：

通过种方式，他们就培养了用户习惯。大家已经喜欢用这套操作语言和这种操作模式了，再去学一套新的，成本就很高。他们做的就是这样的事情，让用户从最简单的开始学起。

彭承志：

他们从0到1，一步步迈得很好。从科研领域来讲，他们在做的正是我们想用的，当然也会变成我们前进的动力。虽然做云这件事情有点吃力不讨好，但是现在也是做了，并且得到了很多伙伴的支持。

云平台上线主要承担两个职能，一是产业生态，一是公众科普。云平台本身更看重整个产业链的整合，从芯片到制冷机，再把自主可控的软件生态做成云上可以服务的接口，这是一个大系统。我们还需要用云平台来牵引目前不在量子计算领域，但对未来量子计算行业发展很重要的生态伙伴一起来做，这同时也是构筑产业链的过程。

问：这次“祖冲之号”上云，对市场有什么影响？

彭承志：

对市场，我们还没有想会有什么的影响。坦白说，从技术角度来讲，我们建立量子计算云平台，更多是想牵引这个领域的产业生态。从市场角度来看，应该是为未来的市场发展打下一定的基础。如果现在问云平台能够牵引多大的市场？那它可能会一定程度地牵引市场发展，但是未必会有立竿见影的效果。