演讲人：张辉 中国科学技术大学博士、本源量子总经理、CCF量子计算专业组副主任
大家好，很高兴受到大会的邀请，能够在今年的科技创新者大会上向大家来介绍一下我们在量子计算这个方向上的一些工作。非常遗憾，因为疫情管控的原因，我不能到现场跟大家面对面做交流，只能通过线上录播的方式跟大家做一个汇报。
我汇报的题目是量子计算的产业化方向的发展，主要分为三部分来介绍。第一部分会介绍一下量子计算目前发展的背景，第二部分介绍一下我们团队在量子计算方向上的工作，最后展望一下量子计算未来的计划。
第一部分，介绍一下量子计算发展的背景。近些年量子计算发展非常火热，量子计算作为量子信息领域方向上最为重要的技术方向，受到了包括美国为代表的，包括IBM、谷歌这些科技巨头都在重点部署量子计算这方面的研究。首先介绍一下量子计算这个方面大概的概念，相比我们今天用的手机、电脑、笔记本，里面这些运算的CPU电子的器件，都遵循着经典物理的规律。基础的运算单元叫晶体管，就像三峡大坝一样，有一个开关控制着这个电流通和不通。目前这样一个晶体管的构造，开关控制电流通和不通的物流载体面临着巨大的挑战，今天人类的工艺技术已经做到了5nm、3nm，只有不断做小晶体管，把单位面积上的集成度提高，来换取更高的算力。当我们的开关做到只有1nm厚度的时候，一定会发生量子隧穿效应，电流里的这些电子能量负荷会穿过这个开关，使得原来赖以生存的开关的模式就要失效。上世纪80年代另外一批科学家提出，为什么不干脆用量子力学的原理来编译人类下一代的计算机体系？量子计算在上世纪80年代时提出，并且完备地把它建立起来，从理论上论证是可行的。同样打个比方，我们在半导体量子计算的架构上，放弃晶体管开关的形态，转而像建一堆水库一样，只不过在每一个水库中间，我们叫半导体的量子点，中间只进一个电子，把0、1编译在这一个电子的自旋上。大家可以想象我们今天能够用我们最先进的技术去控制一个电子、一个原子这些微观体系下的例子，用它的量子力学的原理来编译我们下一代的计算机。
量子计算目前从理论上认证有两方面得天独厚的优势，一方面是处理海量数据并行运算，另一方面它能天然模拟分子、原子。这两件事情都是我们现在常缺算力或者经典计算机很困难去做的事情。
在2019年时，谷歌第一次宣称实现“量子霸权”，用了一块53bt的量子计算机，200秒跑完了一个经典的超算Summit，当年在全球数一数二的超算，要一万年才能跑完的数学问题，谷歌宣称人列第一次打开了量子计算的大门，也使得全球做量子计算的这些科学家、工程师非常兴奋，能够看到量子计算其实离我们人类越来越近。之后英特尔、霍尼韦尔、IBM这些IT巨头纷纷宣布在量子计算上有非常多的进展。这是我们在全球量子计算目前各个国家的分布情况，以美国为代表，包括欧洲、澳洲、日韩等等国家，纷纷都在部署，投入巨资，争夺量子计算，量子计算已经进入了全球白热化竞争的阶段。我们国家在这次“十四五”里也明确把量子计算作为我们未来五年要全力去争夺的科技高地。
第二部分介绍一下本源量子我们团队目前的一些工作。本源量子是非常纯正的从中科院量子信息重点实验室孵化出来的团队，在2004年的时候，我们这个小组开始正式研究固态电学器件微观体系下电子原子的运动规律，这个小组为前身，我们在2017年时正式成立了本源量子，正式把量子计算从实验室往工程化上去走。我们希望在现在这个阶段能够尽快把实验室的实验品或者科研品能够尽快通过工程化实现出来，并且推动中国在量子计算方面产业化的建设。我们创始人对整个团队的要求也希望我们能够死死咬住国际这些最强的团队，本源在2017年成立的时候，从成立第一天开始我们就一直对标IBM、谷歌的进展。
量子计算机和经典计算机还是非常相似的，有中央处理器，我们叫QPU，同样也需要控制系统，就像经典计算机的主板系统一样，来控制整个芯片的运行。我们在量子计算机上继续沿用经典计算机上云的这些概念，包括要构建底层的指令集、语言、操作系统，来驱动整个量子计算机的运行。目前本源在过去将近4年时间，应该说刚刚超过4年，我们在2017年时就上线了中国第一款量子编程的语言，2018年底发布了我们第一代的测控一体机，也是当年全球第三个掌握这项技术的国家团队。第三，去年9月份，我们正式把量子计算机原型机搭建起来，并且上线到云端。这个工作当时我们是直接对标IBM在2017年时5个bt量子计算原型机的工作，当时我们汇报给国家时，我们说我们追赶到全球最强的团队大概差3-4年的差距。我们整个原型机跑通之后，在近一年多的时间里开始大量的在探索量子计算机到底能解决什么问题。随着我们硬件不断的升级，我们能够找到的这些能够解决的问题，或者我们离这些可应用的问题其实是越来越接近。
刚才我们通过一个40多秒的短片，大家看到我们现在整个量子计算机还是非常有科技感和非常酷炫的，整个运行起来，芯片要工作在接近绝对0度，才能正常工作，整个机器目前还是因为制冷设备的限制，个头还是比较大的。随着硬件的发展，我们另外一部分很重要的工作是软件。本源在过去4年左右时间，我们围绕着量子计算机的指令集、语言、操作系统到整个开发环境的建设，我们在全面推进量子计算软件方面的研发。这是我们在今年2月份刚刚发布的中国首款量子计算机操作系统，紧随着英国和奥地利的两个团队之后，第三个在全球发布量子计算机操作系统的，并且我们在多项功能和管理方面全面超越了前面两个团队，我们目前在软件操作系统这块也是代表了整个国际上一流的水准。
围绕量子计算机，我们也在开发各种各样的应用。随着目前我们整个应用的系统才几十个比特，其实在很早的时候我们就已经在发布量子化学方面的软件，包括我们在人工智能方面，量子网络的排序、用户行为的预测、手写数字、图像数识别，已经能用量子的方法去实现，只不过还没有现在经典计算机处理得快或者更精准。随着量子计算机整个硬件的发展，我们相信有一天量子计算机做这些事情都能超过经典计算机。另外一部分很重要的工作，在金融方面，在率先布局很多应用的可能性，包括加密解密，包括流体动力学。本源的团队我们也非常骄傲，在过去一年当中我们拿到了非常多重量级的奖项，第一个是去年法国空客的全球邀请赛，邀请了30多支团队、800多个工程师，我们选择流体动力学这个方向，映射到实体问题当中就是研究机翼，怎么来设计飞机的机翼更加合理、更加节能、更加平稳，我们用量子计算的方式能够更好地处理这类问题，这是对经典计算机来说不可能或者当前不太可能完成的一些任务，我们能够很好的跑完这个任务，我们也取得了流体动力学放的冠军。去年年底本源在知识产权、量子计算发明专利排行榜上排第7位，在前面的6位是微软、IBM这些国际的巨头。本源可喜的是在去年能够做到这样一件事情。在今年刚刚结束的全球互联网大赛上，我们也取得了集成电路方向上的冠军，并且在1000多支队伍中并评选为最具创新的项目。在今年11月份，我们正式被评选为中国的独角兽企业，估值超过70亿人民币，整个团队在量子计算赛道里取得了非常好的进展。
商业落地也是本源一直在考虑的问题，IP授权、量子计算机整机及零配件的销售服务、量子云计算服务以及量子技术培训与教育，这四个方向是在全力推进的，并且在一些方向上我们有非常标志性的落地工作。比如我们最重要的量子计算机整机的销售，目前本源已经有2台量子计算机整机作为商业形态的机器销售给我们的用户，并且帮我们的用户在一起来跑一些问题。相信未来量子计算机能够在更多的领域、更多的方向上体现出它的价值。
最后简单介绍一下量子计算的未来。这是我们当时大概编译的一个发展阶段，我近几年也看到很多机构或者很多媒体都采用了这样一个时间的划分，在2020年之前我们都叫量子计算原型机的研发工作，本源量子是在2020年时完成了原型机的搭建工作。在第一阶段，很多团队都已经完成了原型机研发的任务。现在我们开始进入第二阶段，在未来5-10年，专用的量子计算机将真正开始在某些领域跑过经典计算机，这就回到一开始讲的谷歌的概念“量子霸权”，我们希望能够在很多的应用层面上突破经典计算机，找到“量子霸权”或者“量子优越性”，能够体现量子计算机的价值。第三个阶段可能是未来10-15年之后的阶段，也是所有做量子计算人的梦想，能够研发出通用型量子计算机，我们能够在量子计算机上解决各类的问题。这个需要非常大的努力，要解决包括纠错容错这样非常难的一些问题。这是本源在今年9月份正式全球发布的本源量子的技术发展规划，对标2020年IBM发布的量子计算的发展路径，他们大概会在2023年时建造出超过1000比特的量子计算机，我们目前的节奏是大概会在2025年时建造出1000多比特的量子计算机，这也是本源在接下来的五年中我们要全力以赴做的事情。在这一期工作中，也正式发布了在2022-2023年正式启动纠错容错的量子计算机的研发。
最后介绍一下量子计算的产业联盟，产业联盟是IBM和谷歌在2016年、2017年已经在部署和提出的，他们完成原型机的搭建工作之后就开始往各个行业上使用，包括像IBM的联盟里面，它在金融上选了包括摩根、花旗、高盛，在制造业选择了大众，化工材料方面选择了巴斯夫等等，这些国际的巨头都开始和IBM共同来研究量子计算未来在这些领域上经典计算不能解决的问题或者很困难的问题，能不能由量子计算机来解决。非常可惜，在这里可以看到在整个IBM联盟的范畴里，应该说没有任何中国大陆的这些企业的影子。目前来看，整个IBM、谷歌的策略对中国人目前是全面封锁或者禁止的态势，我们现在给国家汇报时也是看到IBM、谷歌的部署上环中国的量子生态的生态圈。本源在2018年时也正式发起了我们国内的第一个量子计算产业联盟，目前我们已经有50多家机构，也都是国企、央企、上市公司，各个领域领军的企业，还有很多高校，能够在我们这样一个创业公司的平台上，大家一起努力，来研究量子计算，能不能在中国的土壤上找到应用的可能性。
目前围绕我们的产业联盟，我们把量子计算的产业链分为主要的三条链，第一条是生产制造链，量子计算机和经典计算机一样，未来造芯片的可能有很多的企业或很大的企业，造电子元器件的，造主板的，造测控的，甚至造键盘鼠标的，都有可能会诞生一批的伙伴来建造每一个零配件。第二部分是量子计算的生态应用链，在这个方向上包括金融、生物、化学、人工智能、大数据、网络信息安全、航空航天等等这些方向，都是目前已经在国际上看到很多的案例正在这些方向上全速推进量子计算的应用可能性，并且IBM、谷歌的框架里已经在很多方向上在快速占领很多有核心价值的知识产权和专利。我们也希望本源这样一个产业联盟能够促生更多核心的有价值的知识产权和专利能够掌握在我们中国人手上。第三部分是我们两位创始人教授、院士、老师希望本源一直坚持做的事情，就是量子计算的科普教育。本源在过去的四年当中花了非常大的精力一直在坚持做这件事情，包括把教育科普体系往中学甚至小学阶段进行推广，我们也在研究很多课程。教育板块短期内，一个是做到科普宣传，第二是能够给我们培养更多的量子计算方向的专业人才。更远一点看，我们希望下一代的孩子们能够有条件或者有这样一个机会去使用我们中国人自主可控的这些软件，包括语言，包括操作系统，这是量子计算给了我们中国人很好的机会能够去参与，我们不说一定去主导，但是我们一定有机会去参与量子计算标准的建立和生态的建设，我们希望能够通过教育科普链，辐射到更多的人、更多的学生、更多的爱好者，他们能够来学习和使用中国人自己的软件，这是非常有意义的工作。
我的汇报就到这里，非常希望未来能够通过产业联盟或者通过大家合作的方式，来共同推进量子计算在中国未来的发展，谢谢大家。
固定链接 '量子计算的产业化发展' 提交: December 10, 2021, 8:18pm CST