探索未来计算新纪元“量子计算” 专题交流纪要

Q：量子计算机和量子计算应用的专题分享中，夏博士有哪些主要观点和内容？A：夏博士首先感谢大家参加本次会议，并分享了他在量计算领域的经验和见解。他介绍了自己在哈佛大学担任博士后和研究员的经历，并表示量子计算机和量子计算应用是目前全球华人顶尖的领域。夏博士根据演讲主题，详细讲解了量子计算的历史背景、当前的战略地位以及其在中美两国受到的技术封锁情况。Q：量子计算机是如何工作的？A：量子计算机遵循量子力学规律，与传统计算机使用的逻辑门不同，其基于量子叠加和量子纠缠的特性进行并行加速计算。这意味着量子计算机能够比传统计算机更快地解决一些传统计算机无法解决的问题，并且随着算力的提高，可以在某些领域产生指数级的加速效果，从而带来巨大的经济价值。Q：量子计算机主要由哪些部件组成？A：量子计算机由计算模块（量子芯片）和控制模块组成。量子芯片的核心是量子比特（qubit） ，数量越多代表量子芯片的算力越强，类似于传统计算机中的CPU。控制模块则是量子相机中的测控系统，包括射频测控系统和激光测控系统等不同的技术路线，它们负责量子比特的控制和读取。Q：量子计算机目前的技术路线和发展情况如何？A：当前量子计算机的主要技术路线有专用量子计算机和通用量子计算机（可编程量子计算机）。专用量子计算机如量子退火机和九章量子计算机，仅能解决特定问题；而通用量子计算机则可通过编程实现各种计算任务，目前超导量子计算是最受关注的技术路线，因为它拥有最多的量子比特数和最强的计算性能。 Q：量子计算机为何在现阶段如此重要？A：量子计算机的重要性体现在它能解决与能源和信息处理能力相关的两大科技进步源泉问题。能源利用的增强提升了工业生产能力，而信息处理能力的发展则推动了信息时代的到来。量子计算机有望弥补当前算力短缺的问题，并且在面对传统计算机摩尔定律失效时，成为解决更高性能计算需求的重要途径。 Q：量子计算机的基本原理是什么，以及其在计算能力方面有何优势？A：量子计算机的基本原理是建立在量子叠加和量子纠缠这两种特性上。通过运用量子叠加，量子比特（qubit）可以在同一时刻处于多种状态，这使得量子计算机能够并行处理大量计算任务，从 而提供比经典计算机快2^N^4倍的算力。而量子纠缠则保证了量子比特之间的状态相互影响 ，进一步提高了并行计算能力。尽管目前量子计算机处于模拟计算机阶段，存在错误抑制需求，但通过量子纠错和容错技术，有望将其转化为数字计算机，从而实现广泛领域的应用。Q：量子计算机目前主要的应用方向有哪些，以及量子计算机如何应用于药物研发？A：量子计算机当前主要应用于能源、材料、医药等领域与微观世界相关的计算问题。其中，药物研发是量子计算机极具潜力的应用领域。传统计算机在计算药物分子与靶点之间的化学反应时面临复杂度极高、精度不足的问题，导致药物筛选成功率低。而量子计算机通过第一性原理模拟，能精确模拟分子结构和反应，有望显著提高药物研发效率，减少失败案例。Q：量子计算机如何加速商业金融场景中的计算速度并提升精度？A：量子计算机可以通过量子梯度算法加速神经网络模型的训练过程，特别是优化参数的搜索方向。此外，量子计算机还可应用于商业金融场景中的定价问题，例如衍生品定价，提高计算精度；在网络安全领域，量子计算机有望破解传统加密手段如RSA密码，实现信息传输的绝对安全。此外， 量子计算机还可与量子通信网络结合构建绝对安全的量子网络，并在复杂网络优化、密码研究等领域发挥重要作用。 Q：量子计算机与经典计算机在逻辑门和比特上的区别是什么？A：在量子计算机中，逻辑门是由量子比特组成的，而量子比特是真实存在于量子处理器（QPU）中的。相反，经典计算机中逻辑门是真实存在的，而比特是虚拟的，通过控制逻辑门来实现计算。Q：在经典计算机中，逻辑门和比特是如何实现计算的？A：在经典计算机中，逻辑门是由晶体管组成的，而比特则是通过电压高低来表示0和1。当CPU断电时，比特会消失。在CPU内部，通过不同的控制信号来控制逻辑门，使得不同的 比特流过不同的逻辑门实现不同的计算功能。例如，通过不同的逻辑门组合可以实现A加B除C或A加B减C等计算。Q：量子比特是如何实际存在于超导量子计算机和离子阱量子计算机中的？ A：在超导量子计算机中，量子比特存在于芯片上，由实际存在的超导环中的电子数量代表不同的量子状态。而在离子阱量子计算机中，量子比特则代表电子在不同能级的状态。Q：关于公司推出的桌面型量子计算机的特点及性能表现是什么？A：公司推出的桌面型量子计算机可以在室温下稳定可靠地工作，具有较高的稳定度和性能。它在全球五大洲和三十多个国家及地区都有客户，并且已经实现了一些保证度很高的性能。 Q：在量子计算过程中，如何进行测量而不影响计算结果？A：在量子计算过程中，测量是破坏性的，只会在计算完成后进行，以读取计算结果。测量阶段并不会进行计算，而是通过测量读取之前计算过程中的结果。Q：量子纠错和冗余问题在量子计算中的应用是如何实现的？A：目前所有计算机验证都不涉及量子纠错，使用的量子比特数量等于需要处理的比特数量。未来实现量子纠错和容错时，会使用大量辅助比特来保证计算比特不出错，而纠错的比特不参与计算，并且纠错代价很高，需要大约1000个辅助比特来保证一个纠错比特的安全。Q：量子计算如何应用于科学计算和密码学，并且与传统计算的配合使用如何？A：量子计算在科学计算和密码学领域有强大的优势，但目前直接将传统计算机程序和数据转换为量子计算所需的格式，会抵消量子计算带来的优势。未来可能会通过量子和经典计算机的混合计算模式，利用量子计算机处理某些计算密集型任务，同时保留经典计算机处理数据存储和处理的能力。Q：传统算法能否追上量子算法的速度优势？A：即使传统算法不断改进，由于量子计算机具有天生的并行计算能力，传统算法的复杂度仍可能高于量子算法，因此从理论计算机角度出发，很难证明传统算法是否最优。不过，未来随着技术发展，量子计算机和传统计算机的配合使用可能会成为常态，以各自的优势互补，共同处理各种计算任务。Q：量子计算机与经典计算机在计算方面的优势是什么？量子存储是否能改善实际应用中的数据处理效率？ A：量子计算机在某些算法上相较于经典计算机具有显著优势，其复杂度较低。具体表现为，量子计算机可以利用量子叠加态同时处理多种可能性，使得在特定问题上的计算能力远超经典计算机。量子存储目前还处于理论阶段，虽然理论上存储空间可能超过经典物理极限，即一个黑洞能存储多少信息 ，但由于量子存储尚未实现，因此实际应用中存储空间优势还未显现。Q：量子技术在通信领域有哪些应用？量子通信如何保证信息安全？A：量子技术在通信领域有着广泛的应用，特别是在量子通信方面，包括量子密钥分发、量子隐形传态等，这些技术可以实现理论上绝对安全的信息传输。量子通信基于量子力学原理构建，利用量子态的不可复制性和测量扰动效应，实现信息在传输过程中的无条件安全保护，即使被截获也无法获取完整信息。 Q：量子计算机相较于经典计算机在计算方面有何独特之处？A：量子计算机利用量子叠加态和量子纠缠现象，能够在不测量之前同时表示多种状态，从而极大地扩展了其计算能力。当处理多个量子比特时，其数学维度会指数级增长，从而实现超快的计算速度。Q：量子比特有哪些实现方式，各个物理系统如何被用来实现量子比特？A：在实验领域三十多年的发展中，已探索出多种物理系统用于实现量子比特，包括激光束控制的超冷原子、电磁场控制的离子井、光子干涉形成的观察比特以及金刚石中的韦瑟星、超导系统、拓扑量子计算等。 Q：目前各个量子计算技术路线有何优劣，并且它们是否已达到成功阶段？A：不同技术路线各有优缺点，尚未确定最终输赢。例如，两两离子井拥有最佳的性能和纠错能力，但扩展性较弱；超导量子计算机则拥有强大的可拓展性和可控性，但需在接近绝对零度的真空环境下运行，对低温系统和扩展性有一定限制。目前尚未出现单一技术路线完全胜任所有任务的情况，预计未来可能结合各技术优势实现特定任务的最优处理。Q：谷歌在量子计算领域取得了什么里程碑式的成果？什么是量子优越性，以及谷歌实现的量子优越性有何特点？ A：谷歌在2019年首次实现了量子优越性，即量子计算机在特定问题上的计算能力远超当时 性能最好的超级计算机。这一成就被认定为量子计算发展的关键里程碑。量子优越性原名量子霸权，是指量子计算机在某个特定问题上的计算能力超越现有超级计算机。谷歌通过模拟随机采样任务，利用53个可用量子比特的超导量子处理器，在极 短时间内完成了任务，表明其量子计算机的性能远超超级计算机，尽管这个任务本身可能并无实际应用价值。 Q：中国在量子计算领域的现状如何，是否也实现了量子计算优越性？当前国际学术界对于通用量子计算的看法和目标是什么？A：中国是世界上第二个实现量子计算优越性的国家，科大潘建伟院士团队于2020年成功构 建了76个光子的量子计算原型机九章，并于2021年升级为聚焦超导量子计算体系。九 章处理速度比超算快100万亿倍，标志着中国在两个技术路线上都达到了量子计算优越性里程 碑。国际学术界普遍认为，实现通用量计算需要分三个阶段，目前尚处于第一阶段，尽管还未实现完全通用，但在此过程中，阶段性成果仍可为我们所用，未来量子计算机有望与超级计算机形成互补关 系，解决一些经典计算难以解决的问题。Q：量子计算机何时能够应用于实际生活，并且当前如何使用量子计算机？A：量子计算机的应用还需解决纠错门槛问题，即逻辑比特的容错率需达到99%以上，目前国际上主要采用搭建量子计算云平台的方式，用户可以通过网络获取量子比特的服务体验。国内量子已发布了首个具有量子计算优越性的对外开放超导量子计算云平台，用户可以在此进行量子比特操作。此外 ，国产化产业链正在逐步完善，已有多台量子计算机整机销售，并成功打造了合肥超量融合计算中心和单元量子计算云平台等项目，为用户提供高质量的算力服务。Q：量子通信面临的最大挑战是什么？ A：量子通信面临的最大挑战在于传输损耗。在100公里的距离内，损耗可达20dB，相 当于信号强度减少至初始值的1/1000。此外，由于量子不可克隆原理，量子通信无法像传统万能通信那样进行广播传输。 Q：如何解决远距离量子通信的实用化问题？A：目前有两种主要解决方案。一是基于可信中继的沉浸量的通信网络，通过设置中继站来实现1 00公里左右的城市间通信，有效提高线路安全性。另一种方案是自由空间的量子通信，利用卫星和地面设施进行量子通信，具有不受距离限制和光子衰减较少的优势。Q：量子通信设备的发展历程是怎样的？A：量子通信设备经历了三代发展，从第一代到第四代，性能不断提升，最小化体积并具备与经典密 码设备融合的能力。最新的设备已经达到微型模块化程度，能够适应未来用户习惯变化，并有望实现手机级别的小型化和集成化。 Q：量子通信在金融领域的应用有哪些？A：量子通信在金融领域应用广泛，例如人民银行的清算中心和工商银行的网上银行均采用了量子密钥同步和异地数据传输加密技术，保障金融数据的安全传输。Q：量子信息技术公司的现状及战略规划是什么？A：国内量子是一家致力于量子信息技术产业化的公司，成立于2009年，目前是科创板上唯 一以量子科技为主营业务的上市公司。未来公司战略除了保持量子保密通信核 心技术和业务领先地位外，还将扩展量子计算和量子测量领域，瞄准市场需求，坚持用户导向，积极推进应用探索和落地。 Q：未来我们如何将量子安全基础设施与电信领域深度合作？A：我们计划快速提升保密通信网络的能力，特别是与现有技术基础设施融合的能力，以落实国家高质量发展和高水平安全两大战略目标。 Q：在中长期，我们将如何打造具有中国特色的算力网络？A：我们将把量子计算融入到运营商的算力网络中，提升计算能力和效率，解决更复杂、庞大的计算任务。 Q：量子计算如何与传统计算系统结合以构建更安全、可信的网络环境？A：我们将利用量子技术与传统算力网络相结合，构建具有量子安全特性的网络，保障基础设施承载的数据安全和隐私。Q：量子计算如何提高计算能力和破解量子加密的安