中国科学院院士郭光灿：颠覆性的量子计算将带来算力的指数级增长

近日，一则关于OpenAI创始人山姆·奥特曼正在通过向全球投资者寻求巨额资金，建立专门晶圆厂的消息在科技圈刷屏。业界纷纷猜测，这一举措背后的原因很可能是，OpenAI已经无芯训练GPT-5。据悉，OpenAI训练GPT-4，耗费大约25000块A100GPU。而训练GPT-5，至少还需要5万张H100。山姆·奥特曼本人曾在达沃斯经济论坛上表示，今后世界的两大货币，就是算力和能源。有不少专家直言，算力能级决定了生成式AI发展的前途。尤其在当下，谁能够提高算力，满足大模型训练需求，谁就可能占据行业发展的有利地位。

算力未来会向哪个方向发展？日前，在"瞰见未来"2024复旦管院新年论坛上，中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿预测：量子计算是一项颠覆性技术。如果量子计算机能够得到普遍应用，算力将会提高到新的层次，量子算力会以指数级增长超越现有的经典算法，超越现在的超级计算机。不过，当下，我们距离实现通用量子计算机，还有相当长的路要走。

我们距离量子计算机还有多远

量子计算有多厉害？"量子计算机可以实现超级计算机无法完成的工作。"郭光灿举例，现在电子计算机无法破解的的动态密钥，量子计算机可以破解。他甚至推测，10年后或会诞生量子人工智能新学科。

那么，人类距离量子计算机还有多远？郭光灿表示，如果将量子计算发展比作一个人的成长，那我们现在大概还在7、8岁左右。

他坦言，当前，量子计算发展主要面临两大难题。

其一是研究人员在研究量子计算机的过程中会遇到"消相干"问题。郭光灿解释，量子计算机是宏观量子器件，环境会不可避免地破坏量子特性，这就是"消相干"。"消相干"会导致量子计算机自动变成经典计算机，丧失并行运算能力。为了应对环境破坏下计算可靠的问题，科学家提出"容错纠错编码原理"。不过，郭光灿表示，尽管这一原理可在理论上可确保在"消相干"环境中量子计算机的可靠正确运行，但实际技术很难做到这点。

困难二在于目前人类尚未掌握精确操控量子状态和演化的技术，因此无法制备和精确操控量子比特数较多的量子芯片。郭光灿解释，用于量子信息存储的量子编码是将有噪声的若干量子物理比特，变成没有噪声的逻辑比特。由于噪声会带来计算错误，用无噪声的逻辑比特作为处理数据单元，数据就能保持完整。如果量子比特的质量好、保真度高，那么编一个逻辑比特所需要的物理比特量就少。他进一步解释，容错编码可以纠正操作过程的错误。当操作的精度高于某个阈值，如99.999%，可以纠正操作过程的错误，使得即使在错误环境中仍可获得可靠结果。

郭光灿说，通用量子计算机必须采用编码容错技术才能确保计算的可靠性。这一点同样是在理论上可以实现，但现在技术上还达不到。一台通用量子计算机需要约1000个逻辑比特，每个逻辑比特由约1000个物理比特编码而成，因此，通用量子计算机需要百万级量子比特。难度可想而知。

我国量子计算水平处于国际第一梯队

"虽然当下我们距离距离实现通用量子计算机还有相当长的路要走。但科学的进步速度非常快。"郭光灿认为，当前，量子计算已从仅追求量子比特的增加进入到研发逻辑量子比特的新阶段。

他举出国内外两组例子。

2016年，IBM公布了全球首个量子计算机在线平台，搭载5位量子处理器。这是人类历史上首次真正将量子处理器作为实际应用。2019年，IBM又推出全球首套商用量子计算机，命名为IBMQSystemOne。在国内，2024年1月6日，中国第三代超导量子计算机"本源悟空"上线运行。该量子计算机搭载72位自主超导量子芯片"悟空芯"，是目前先进的可编程、可交付超导量子计算机。"值得骄傲的是，这是我国完全自主研发的产品。"郭光灿说，"本源悟空"上线后，迄今已有全球90个国家、64万人访问了云计算，其中有9万人带着问题在计算机上运行。现在"本源悟空"已完成了约8万个项目。

"由此可见，我国的量子计算水平目前位于国际第一梯队。"不过，郭光灿也指出，在量子计算方面，我国仍与美国水平相差较大，仍需努力。例如，近期哈佛大学Lukin研究组发布了第一台基于可重构原子阵列的逻辑量子处理器，成功在一个具有280个物理量子比特的系统中，制备48个逻辑量子比特，为开发真正可扩展和容错的量子计算机奠定了基础。"对比美国的进步，日本、德国还在直追，我们必须有紧迫感，抓紧相关研究。"

作者：吴金娇

文：吴金娇 图：复旦管院 编辑：储舒婷 责任编辑：姜澎

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