量子力学是一个极为奇妙的理论。从理论基础及物理现象的诠释来说，它在诞生之处就在物理学家之间引起了激烈的讨论，如著名的波尔-爱因斯坦论战；从现实应用角度来说，它给我们的社会带来了无与伦比的变化和进步；从科学技术史角度来说，也几乎没有哪段历史比量子论的创立得到了更为彻底的研究。

作为人类探究微观世界的重大成果，量子科技发展也具有重大科学意义和战略价值，将会引领新一轮科技革命和产业变革方向。为此，第177期银湖沙龙特邀华南理工大学崔巍教授解密量子“霸权”。

崔巍教授从2006年开始从事量子信息相关的研究工作，他的主要研究兴趣包括量子控制，量子计算，以及量子人工智能算法等。

量子“霸权”，指的是量子计算的优势。崔巍教授用很严谨、有趣、通俗易懂的方式，讲述了经典物理和量子物理的碰撞，梳理了量子发展脉络和重大意义，重点介绍了量子计算机及其硬件、算法发展现状，存在的重点及难点，并紧跟国际研究的前沿，展望量子“霸权”时代的未来可能。

本次沙龙，崔巍教授为我们展现了一个美妙的量子世界，使大家在好奇心得到极大满足的同时，也真正开启对科学的兴趣。

一、回溯量子发展道路

崔巍教授带领与会嘉宾做了一次量子之旅，沿着量子发展的道路，系统梳理了量子技术的里程碑理论成果。

从20世纪初期量子力学的建立，到20世纪末量子计算理论的发展，再到现今量子工程的突破，脱胎于经典物理的量子论在科学家中间引起了最为激烈的争议和关注，也迸发了众多思想火花。

崔巍教授讲述了许多物理学家的故事与研究成果，如爱因斯坦等人提出的“EPR佯谬”，贝尔（BELL）提出了“贝尔不等式”，费曼（Feynman）提出了“量子模拟”。David Deutsch则是量子计算的奠基人之一，在1985年阐述了量子图灵机概念，而获得图灵奖的唯一华人学者姚期智在1993年首次证明了量子图灵机和量子电路模型是等价的。真正让量子变得热门起来的，是Shor在1994年提出的是大数因式分解算法，以及Grover在1996年总结的量子搜索算法。21世纪后，理论上重要的突破还有HHL提出的求解线性方程组算法，IBM研制出了5量子比特的超导量子计算机，量子机器学习算法的出现，谷歌用53量子比特验证“量子霸权”，这标志着量子计算机的发展进入了一个新阶段。

二、量子就在我们身边

量子不仅是现代物理的重要概念，我们的生活无处没有量子。比如我们去医院体检做X光、核磁共振，我们每天使用的电脑的晶体管，以及应用极为广泛的激光等……都与量子理论密不可分。

第二次量子技术革命则是形成了精密操控量子系统，包括量子计算、量子通信与量子密码、量子精密测量，也就是当前关于量子理论最为热门的研究话题，催生了诸多新的方向，带动传统产业发展迸发出新的生命力。

三、聚焦量子计算机

如今，经典计算机的发展遇到了很多瓶颈，比如摩尔定律即将失效，关于电流的损失，电池、处理器的制约……而量子计算机能以矩阵的状态作为新型的计算范式，实现“并行”“、“超快”，从计算机0和1的状态，升级为一种叠加态——可以简单认为，量子计算机作为一个工具，与模拟量子系统里的物理过程、破解密码、海量数据的搜索等方面密切相关。

所以，量子信息技术已经成为国家科技战略竞争高地，包括欧盟、美国、印度、俄罗斯、英国、德国等。中国也做了重要战略策划和系统布局，比如在北京成立了北京量子研究院，要在合肥成立中国最大的量子科技的研究院。各大企业也集中精力研究，如中国的百度、阿里、华为、腾讯，国际上的谷歌、IBM、霍尼韦尔、微软等。

量子计算机的研制非常复杂，需要大量的量子技术和量子理论知识，包括量子容错，量子计算，量子信息理论，量子位的操纵，量子门，量子存储，量子控制等。这就意味着要攻克非常多的难点，比如，量子芯片需要在极其严苛的条件下进行工作，量子编码的时候要有容错的机制，量子算法需要有特定的问题进行逻辑性的映射……因此，在硬件、软件上，量子计算机的发展还要走漫漫长路。

四、量子计算机的应用

有了量子计算机，将来能在什么地方扮演一些角色呢？

崔巍教授将此分为“专用”量子计算机和“通用”量子计算机。某种意义上，现在我们所处的时代就是“专用”量子计算机时代，主要是在学术界，或者是工业界，如在制药、能源、材料、物流、网络等方面，会起到非常多的作用。

而“通用”量子计算机还有很多路要走，因为容错是量子计算机的核心问题，需要解决如何抑制退相干，容错的量子算法，可扩展性性，以及从物理比特向逻辑比特的转化等难题，预计还要10年时间甚至更多。

量子计算机的应用前景被业界非常看好，根据波士顿咨询公司预测，2030年量子计算的应用市场有望达到500亿美元。当然，应用场景还是存在边界的，都是专用，主要包括交通规划、航天航空，电信网络、分子化学、制药、人工智能、金融交易，金融的高频交易等。

量子计算产业生态已成雏形，研究主体包括各大研究机构、科技巨头、初创企业，生态应用更是广泛，形成了一定规模。

五、量子计算的前沿

量子“霸权”，其实是量子计算的优势体现，比如能在时间复杂度上关注所耗费的时间，在查询复杂度上关注调研某一子过程的次数，在通信复杂度上关注双方协同完成某一任务时用了多少通信量，在状态复杂度上关注一个状态变迁系统涉及到多少个状态，在电路深度复杂度上关注逻辑门的层数。

当前，量子计算机的研究已从原型机阶段进入到由数十到数百个且带有噪声的量子比特所构成的“嘈杂中型量子”（NISQ）时代，并在一些特定的问题上实现了量子优越性。实现量子计算，是当今量子计算机的研究主攻方向。目前，谷歌已经能够做到53个比特，中国科大的九章在玻色采样问题上也实现了量子优势，把超级计算机需要数亿年才能实现的问题缩小到数百秒。

在量子计算算法角度，当下研究的热点问题还包括量子人工智能，即把量子计算与机器学习、人工智能相结合，以及量子启发式算法，就是在经典计算机上借鉴量子计算的数据结构和计算逻辑，可实现对特定问题的加速。

六、热烈的讨论环节，大家各抒己见

在讨论环节，主持人王岩教授开启讨论，想要启发大家的思考。与会嘉宾从物理学谈到了社会学，从量子的应用场景追问深至量子的底层理论，从AI智能学习跳跃到当今热度不减的量子计算对区块链计算的影响等，发言精彩纷呈。

王岩教授事先特别好奇对于如此复杂的量子理论，普罗大众在还没有完全理解基础概念的情况下，如何去想象它的应用场景？崔巍教授要如何用简单的语言讲清楚？没想到崔巍教授完美地做到了。王岩教授好奇在应用场景之外基础的量子理论根基。崔巍教授解释，物理是一门实验科学，物理的基础假设，是与实验相符合的，先有实验，后有理论，这个理论是可以充分解释这个实验，当前的量子论没有被实验所违背。那量子底层理论的一个基本假设，如态叠加原理，量子测量等，我们可以把它作为一种公理化存在。

南洁老师从社会科学的角度，思考量子究竟能和社会学可以结合到什么程度，是否会带来一些社会问题？比如，如果应用在区块链上，是否有可能颠覆一切既往的监管，导致金融体系崩溃，人类社会面临着巨大的动荡和不安。

法学博士李恩汉也表示，量子计算的发展如此快，那么将来人类是否会变成：我们知道了很多东西是什么，但是不再关注为什么，人类大脑完全被超越。

这引发了与会嘉宾的热烈讨论。谷丰老师认为，量子扩宽了我们的概念，我们不能只是知道量子计算机，对量子的理解是一种工具，我们的脑袋也要进入量子时代，才能理解现在的事物。张干夫老师举一反三，提出所谓的量子信息，就是用量子计算的算法技术来表达。

张韶辉博士以经典计算机通讯理论中的“纠错码”一概念询问，如何能够提高效率。崔巍教授以物理比特和逻辑比特的区别与进行耐心解释。

傅诒辉博士好奇，能不能用AI的办法，让计算机不停地优化算法呢？崔巍教授认为，瓶颈还是在于硬件实现的方面，人工智能方面、深度学习都是算法层面上的改进。

王岩教授还提问，由于量子理论的复杂性，导致很多江湖骗子借量子之名愚弄社会大众，如何让国人的认知水平能够比较快地得到提升？作为普通人应该转变哪些最基本的认知来真正理解量子学？崔巍教授建议，可以通过阅读科普书先入门，以及玩量子游戏，寓教于乐，比如IBM、华为就出了好几款手机量子游戏，即使不懂非常深奥的物理量子知识也能沉浸其中。与会其它嘉宾也介绍了几本不错的量子科普书籍，如Chris Ferrie 的《Quantum Physics for Babies》、李淼的《给孩子讲量子力学》、 曹天元的《上帝掷骰子吗》。

王岩教授最后总结，我们希望探索一条适合中国国情的量子发展之路。简单地用举国体制，国家投入来做是否可持续？是否会重蹈以前的教训？如计算机等领域，我们起步不差，但最后却被拉得很远。国家投入与社会投入，如何去寻找平衡，如何建立一个好的法律和制度安排，促进量子产业在中国的发展，是更大的挑战。

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