潘建偉專訪：2035年中國有望造出容錯通用量子計算機

來源：深圳衛視科創最前沿

導讀：

近日，未來科學大獎十週年慶典在上海舉行，其間，中國科學院院士、中國科學技術大學教授、2017年未來科學大獎物質科學獎獲得者潘建偉接受深圳衛視科創最前沿記者採訪，以量子力學百年（1925-2025）為起點深入解讀了量子技術產業發展現狀與未來路徑。

未來科學發展中心 | 來源

未來20年量子科技將如何重塑生活？

——從500萬量子保密手機使用者到"億年不差1秒"的光鍾

深圳衛視科創最前沿：今年我們在量子科技方面有哪些最新進展？

潘建偉：其實今年非常有意思，正好是現代量子理論建立100週年。1925年的六月份，海森堡在德國的一個小島上建立了矩陣力學，用他那個方程能夠很好的來求解，來分析氫原子的光譜，這意味著量子力學的誕生。它誕生之後，很快就推動了現代資訊科技的發展。可以說沒有量子力學建立，就不會有今天的計算機，不會有我們今天的網際網路，也不會有我們今天的衛星導航。所以其實量子力學建立之後，在過去100年當中，已經為以資訊科技為代表的第三次產業變革，做出了巨大的貢獻了。我們把它叫第一次量子革命。

隨著目前科學家們能力的增長，能夠將一個個原子、一個個分子、一個個光子進行主動的精確的操控之後，目前一個新的學科，我們現在把它叫做量子資訊科學，正在蓬勃發展。我想在未來的20年裡面，跟人工智慧結合在一起之後，會催生一次新的產業變革。那麼這個新興的量子資訊是有什麼用呢？它可以在資訊的安全傳輸上、計算能力的提升上，以及在精確的感知能力上，起到巨大的推動作用。

深圳衛視科創最前沿：您提到，未來20年量子科技會有一個比較大的發展，能否舉一個具體的案例？

潘建偉：第一個應用就是利用量子糾纏的精確關聯，我們可以在遙遠的地點之間產生一種原理上不可破解的量子密碼。利用這樣一種量子密碼，我們就可以實現資訊理論可證的，也就是有最高級別安全性的資訊傳輸。據我的瞭解，中國電信在前期的應用基礎之上，已經有500萬左右的量子保密手機的使用者了。所以從這個角度上講，我想在未來20年裡面，可能大家都會用上這樣能夠得到量子密碼保障的資訊安全。

第二個應用，目前我們中國科學家和國際科學家一起，正在構建一個遠距離的時間分發網路。目前導航系統如GPS和北斗依賴的傳統原子鐘的精度大概是每100萬年誤差1秒。新的量子技術用上之後，我們就可以造出一種每100億年甚至更長的時間裡面誤差只有1秒的光鍾，能夠大幅度提高時間計量和導航的精度。

當然20年時間裡，如果我們能夠把通用量子計算機造出來的話，它就可以提供一種非常強大的計算能力。這還需要一點時間，但也是最激動人心的。我覺得量子計算機可以來滿足目前人工智慧對算力的極大需求，所以從這種角度看，量子計算機可以為我們的算力需求提供一種革命性的解決方案。

量子計算機的"致命挑戰"與突破時間表：

2035年能否造出容錯通用機？

深圳衛視科創最前沿：量子計算機目前面臨的主要的挑戰是什麼？

潘建偉：傳統計算機的每次操作錯誤率是非常低的，即便長時間執行，計算結果仍可信。但量子計算機目前面臨的挑戰在於它的單次操作錯誤率比較大。如果計算時間較短，結果或許是可信的，一旦延長計算時間，錯誤不斷累積，最終結果與預期值偏差會顯著增大，導致計算結果不可信。

為了解決量子計算的關鍵瓶頸問題（即長時間計算的精度保障），我們需要一種稱為量子糾錯的技術手段。量子糾錯的工作原理可以類比火柴棍的穩定性：

若單根火柴棍立於地面，短暫站立後便會傾倒；

若將三根火柴棍捆綁在一起，則可維持更久不倒塌；

若將大量火柴棍緊密組合，便能形成一種對周圍振動高度魯棒（robust）的結構。

類似地，量子糾錯透過整合大量量子位元（類似於捆紮多根火柴棍），構建出對環境干擾（如噪聲、振動）具備強魯棒性的機制，從而確保計算過程長期穩定且結果精確。

量子糾錯目前已經有可喜的進展了。我們希望透過5到10年的時間，能夠把量子計算的糾錯問題解決。也許到2035年或2040年，我們就可以把容錯的通用量子計算機構建出來。

優秀科研團隊的"成事密碼"：

選對賽道、跨學科協作、踩準時機

深圳衛視科創最前沿：您認為一個優秀的科研團隊具備哪些特質？然後您是如何培養和激勵團隊成員的？

潘建偉：我覺得其實聰明的人都很多，所以我是非常認可楊振寧先生的一個判斷。

對於年輕人來說，要選擇一個在蓬勃發展的領域。如果自身能力足夠，就能較快取得成果。但如果進入夕陽領域，即便能力再強，樹上的果子已經很少了，跳得再高也只能摘到1到2個果子；反之，如果選擇果樹繁茂、新果源源不斷的領域，能力足夠便能摘到很多果實。因此，首要能力是判斷哪個領域正處於蓬勃發展期，這一點至關重要。

其次，我認為在我們這個領域尤為重要的一個原則是多學科交叉。量子資訊科技涉及演算法研發，因此需要數學與計算機理論人才；同時涉及硬體設計與製造，需精通材料學與微納加工技術；其最終實現依賴物理機制，因此需深刻理解量子物理原理。由此可見，要解決我們這一領域的重大問題，必須聚集多學科人才。大家聯合在一起之後，就能夠做一些別人做不了的事情。這種跨學科協作模式，正是量子領域優秀團隊的基本素質。

第三點同樣重要——在對的時機做對的事。由於領域記憶體在多種方向選擇，有時還需一點運氣：若運氣好，選中的方向既正確又重要，便能在適當的時機憑能力把握住機遇。

量子領域需要什麼樣的人才？

——密碼學、光通訊等跨界者都能發光

深圳衛視科創最前沿：您提到量子科技是未來產業，且正處於新興發展階段，前景廣闊。那麼哪些人才或青年學子適合進入這一領域？

潘建偉：這很難一概而論。我們領域中有密碼學背景的成員轉向量子演算法後表現優異——因為密碼破解需極強的數學能力，這類人才在量子計算中同樣關鍵。一位原本不涉足量子資訊的同事，轉行後成為我們團隊核心力量；另一位原來是光通訊領域的同事轉至量子通訊領域，也發揮了重要作用。

因此，量子資訊領域真正需要的是多元化背景的人才。

深圳衛視科創最前沿：至今最讓您著迷的量子之謎或者是量子現象是什麼？

潘建偉：其實我當年最感興趣的就是量子疊加原理。傳統計算中，一個位元只能處於0或1；但在量子世界，量子位元可處於 |0⟩ 和 |1⟩ 的疊加態。如果你有兩個位元的話，就會產生糾纏的概念，會形成如∣00⟩+∣11⟩ 的糾纏態。

這句話是什麼意思呢？這意味著：比如我將兩個糾纏的量子位元分離——一個送給你，一個留在我這裡——即使我倆相距遙遠，當你去觀測你手中的位元，結果一旦確定時（如得到0），我手裡的量子位元狀態也會瞬間坍縮為關聯狀態（如0）。這種現象稱為量子糾纏，愛因斯坦稱之為遙遠地點間的詭異互動。這是讓我最困惑，然後也特別想搞清楚的。

到目前為止，所有的實驗都證明了量子糾纏現象確實是存在的。但為什麼會有這種現象？我們到目前為止也沒辦法解釋，但我們是利用這種現象來做量子資訊處理的。

量子糾纏為什麼是讓我覺得最神奇的呢？我記得有一次楊振寧先生講過，他說要理解量子糾纏可能很難了，它是自然界這個造物主來向我們顯示他的強大。你可以理解萬有引力，理解無線電，但自然界有時就會讓你意識到某些現象超出了人類理解的邊界。

深圳衛視科創最前沿：人類有可能實現星際穿越嗎？

潘建偉：其實我們中國古代就有諸如飛天、嫦娥登月的傳說，現在我們登月都是沒有問題了。我記得在航天器誕生前，開普勒曾致信伽利略，預言“未來人類將建造飛船實現星際旅行”——這一設想在數百年後成為現實。現有量子物理學原理並沒有禁止基於量子糾纏的星際穿越探索，因此我認為在將來的某一天是有可能實現的。例如，當前已實現兩個地點之間複雜量子狀態的遠端傳輸。但傳輸人類是否可行？這需要回答一個根本問題：生命現象與非生命系統是否存在本質差異？目前科學尚未定論。正因如此，我對這一問題保持開放的態度。

深圳衛視科創最前沿：您在採訪曾提到過，美國為什麼一直能佔據世界科技發展的中心？那現在您的看法有什麼變化嗎？

潘建偉：我覺得沒有什麼變化。美國的科技金融，是美國在這麼多年來保持科技強國地位的一個非常重要的因素。

現在在歐洲，即使是像馬斯克這樣具有極強創新能力的企業家都難以獲得高強度的投入。歐洲以傳統實業為核心（如西門子、寶馬等），主要依賴穩定現金流而非前瞻性資本投入，這種模式難以支撐高失敗風險的顛覆性創新。而SpaceX持續高成本的火箭發射屢次失敗且長期未盈利，就很難在歐洲生存下去。

但在美國，你一旦看好某個科技的發展前景後，就可以把未來的收益折現到現在，可以持續地募集到足夠的經費去做他想做的，認為是對的事情。

所以我認為中國要想成為科技強國的話，需要既有實體又有科技金融，把這兩者很好地結合在一起，這對我們中國未來的科技發展是非常重要的。