近日，在王府井书店四层读者阅读区内，举行了一场以量子计(ji)算(suan)为主题的科普讲座。主讲嘉宾中国科学院计(ji)算(suan)技术研究所研究员、量子计(ji)算(suan)与算(suan)法理论(lun)实验(yan)室主任孙晓明，向公众讲解量子计(ji)算(suan)的相关(guan)内容，并为听众答疑解惑。
作为深耕量子计(ji)算(suan)领域20多(duo)年的一线科研人员，孙晓明向公众普及了量子计(ji)算(suan)的基础知识(shi)、发(fa)展历史，并讲述了量子计(ji)算(suan)的应用(yong)场景和未来发(fa)展展望。
揭开量子计(ji)算(suan)神秘(mi)面纱一角
前几年有(you)个网(wang)络(luo)流行语“遇事(shi)不决，量子力学”。这是一句调(diao)侃，指的是当事(shi)情(qing)中有(you)说不通的部分时，利用(yong)一些高大上(shang)的科学理论(lun)比如量子力学来强行解释，给人一种虽然搞不懂(dong)，但(dan)又很厉(li)害(hai)的感觉。这句调(diao)侃语与诺(nuo)贝尔物理学奖得主费曼所说的“没人能够真正理解量子力学”不谋而合(he)。2022年诺(nuo)贝尔物理学奖同样授予了三位研究量子物理的科学家。量子计(ji)算(suan)是量子信息科学的一个研究方面，而另(ling)外两个研究方面分别是量子通信和量子精密测量。
在介(jie)绍(shao)量子计(ji)算(suan)前，孙晓明先(xian)向大家解释了量子：“《科普中国》上(shang)关(guan)于量子的明确定义，即一个物理量如果(guo)存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，最小单位被称为量子。”
“量子计(ji)算(suan)利用(yong)量子力学的基本原理，把量子叠加(jia)、量子纠缠等特性用(yong)起来，从而提升计(ji)算(suan)效率。目前，它在一些特定计(ji)算(suan)问(wen)题上(shang)已经展现出了超越(yue)经典计(ji)算(suan)机的强大计(ji)算(suan)潜力。”
孙晓明随即举例说明，“经典计(ji)算(suan)只有(you)0和1两个比特，它本来是不相关(guan)的，但(dan)是如果(guo)我(wo)们画一个直角坐标系，把0当做x轴，把1当做y轴，那么在这个直角坐标系里，除了0和1，它还包含很多(duo)的点。”量子力学的基本假设是，这里面几乎所有(you)其他(ta)点都是一个合(he)法的量子态。
经典计(ji)算(suan)机采用(yong)0和1的二进制计(ji)算(suan)，而量子的计(ji)算(suan)单元(yuan)可以同时既是0又是1，经典计(ji)算(suan)机一次只能尝试一条路径，而利用(yong)量子力学特性的全新计(ji)算(suan)模型可以一次探索(suo)多(duo)条路径。前不久(jiu)潘建(jian)伟院士在“世界量子日”发(fa)表(biao)的《百年量子，量子信息方兴未艾》一文中也(ye)提到，量子计(ji)算(suan)提供了一种从根本上(shang)实现并行计(ji)算(suan)的思路，具备极大的超越(yue)经典计(ji)算(suan)机运算(suan)能力的潜力。
大咖分享量子计(ji)算(suan)未来趋势
严谨、谦逊(xun)，是孙晓明留给观众的第一印(yin)象。尽管已深耕量子计(ji)算(suan)领域二十载，甫一开场，孙晓明第一句话便(bian)是“我(wo)个人对量子计(ji)算(suan)的认知可能不一定很全面，或(huo)者说有(you)一些也(ye)不一定很准确，有(you)不当的地方还请大家批(pi)评指正”。
孙晓明曾凭借在解决量子算(suan)法复杂(za)性和密码协议复杂(za)性中的理论(lun)难题等方面的贡献，荣(rong)获2021年度王选杰出青年学者奖。“王选杰出青年学者奖”是由北京(jing)大学、中国计(ji)算(suan)机学会和中国工业与应用(yong)数(shu)学学会每(mei)年联合(he)评选出在计(ji)算(suan)机和应用(yong)数(shu)学领域中自主创新和应用(yong)成果(guo)极为突出的杰出青年学者，两个领域分别仅有(you)一个获奖名额。
讲座中，孙晓明向公众推荐了《量子计(ji)算(suan)与量子信息》这本书，他(ta)介(jie)绍(shao)说这是他(ta)和5位同行一起，花了3年时间(jian)翻译的。该书英文版系统(tong)全面地介(jie)绍(shao)了量子计(ji)算(suan)和量子信息领域的基本概念(nian)和原理、核心思想和技术，是量子信息领域及物理领域被引用(yong)次数(shu)最高的图书之(zhi)一。这本书是全球许(xu)多(duo)高校(xiao)量子计(ji)算(suan)课程(cheng)的教材，也(ye)非常(chang)适(shi)合(he)对量子计(ji)算(suan)和量子信息感兴趣的学习者阅读。
量子计(ji)算(suan)是一个新兴的、不断快速发(fa)展的领域。除了量子算(suan)法、量子网(wang)络(luo)、量子AI、量子编程(cheng)语言，现在还有(you)量子货币、量子存储、量子模拟等。事(shi)实上(shang)，就像“地理大发(fa)现”一样，量子计(ji)算(suan)研究领域也(ye)非常(chang)广阔，而且几乎所有(you)重要的问(wen)题答案就是未知的，发(fa)展潜力非常(chang)巨大。
整场讲座，孙晓明从量子计(ji)算(suan)的数(shu)学模型与基本原理入手，详细介(jie)绍(shao)了量子计(ji)算(suan)的发(fa)展历史、近期各国取得的一些重要研究进展，以及量子计(ji)算(suan)的一些潜在应用(yong)场景，例如量子化学模拟、组(zu)合(he)优化、交通优化、图像识(shi)别的精确性提升和金(jin)融算(suan)法方面的优化。但(dan)他(ta)一再强调(diao)，这些都需要结合(he)算(suan)法的突破来实现。“比如量子计(ji)算(suan)机的‘加(jia)速’，并不是说造出来的量子计(ji)算(suan)机硬件比经典计(ji)算(suan)机速度快。目前像Shor算(suan)法、Grover算(suan)法这些我(wo)们能够看见(jian)理论(lun)上(shang)实现加(jia)速的，都是因为背后有(you)算(suan)法在支(zhi)撑。所以想要在（量子计(ji)算(suan)机）或(huo)者其他(ta)潜在领域发(fa)挥出量子计(ji)算(suan)的优势来，还需要有(you)算(suan)法上(shang)的一些突破。”
我(wo)国量子计(ji)算(suan)事(shi)业成就斐(fei)然
作为一名专业的研究员，孙晓明在科普“量子计(ji)算(suan)”时表(biao)述十分严谨，但(dan)他(ta)对于量子计(ji)算(suan)的发(fa)展前景持积极乐观态度，“大约5年前，图灵奖得主姚期智(zhi)教授曾经在演讲中提到，他(ta)认为计(ji)算(suan)机领域下一个革命性的方向，在软件方面是人工智(zhi)能，在硬件方面是量子计(ji)算(suan)。”孙晓明认为，人工智(zhi)能在过去(qu)的两三年，特别是过去(qu)一年间(jian)取得了非常(chang)重大的突破。事(shi)实上(shang)，量子计(ji)算(suan)领域过去(qu)5年间(jian)也(ye)有(you)飞速的发(fa)展，比如我(wo)国中科大的潘建(jian)伟院士带领的团队在超导量子计(ji)算(suan)方向取得了重大突破。
据报(bao)道，潘建(jian)伟院士带领的团队在2021年5月成功构建(jian)了62超导量子比特的可编程(cheng)超导量子计(ji)算(suan)原型机“祖冲之(zhi)号”，并在该系统(tong)上(shang)成功进行了二维可编程(cheng)量子行走的演示；2021年10月，构建(jian)了66比特可编程(cheng)超导量子计(ji)算(suan)原型机“祖冲之(zhi)二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求(qiu)解，求(qiu)解速度比富(fu)岳号超级计(ji)算(suan)机快1000万(wan)倍以上(shang)。在光量子体系，255光子的“九章三号”成功研制，计(ji)算(suan)能力刷新世界纪(ji)录，实现了“量子计(ji)算(suan)优越(yue)性”。
“我(wo)国量子计(ji)算(suan)领域在国际上(shang)处于第一梯队。”孙晓明平(ping)静地说，同时他(ta)补充说，我(wo)国在量子计(ji)算(suan)领域已经做出了许(xu)多(duo)努力，但(dan)目前仍然无(wu)法很精确地预测量子计(ji)算(suan)何时能够像人工智(zhi)能一样走入我(wo)们的生活，因为前沿性研究具有(you)不确定性和未知性。他(ta)进一步补充道：“所以只有(you)我(wo)们大家齐心协力，不断地去(qu)努力探索(suo)，那么才可能会看到量子计(ji)算(suan)真正进入人们生活的那一天。”
科普讲座现场观众互动热烈
量子计(ji)算(suan)作为物理学中一个专业性强、理论(lun)逻辑复杂(za)的领域，面向公众科普工作存在一定的难度，孙晓明将其中繁杂(za)的数(shu)学模型简化，以通俗(su)易懂(dong)的方式呈现，并辅以具体案例。讲座现场以成年人居多(duo)，也(ye)有(you)背着书包带着笔(bi)记本的小观众。在答疑互动环节(jie)，孙晓明一再肯定听众提问(wen)的高质量，并耐心地回答每(mei)一个问(wen)题。
带着笔(bi)记本前来的小观众提问(wen)“量子不是一个实质存在的物吗？”孙晓明回答说，量子代表(biao)的是一种不可再分的最小单位，而所谓最小单位“不是在形(xing)态上(shang)，而是在物理量上(shang)的最小的单位”，“我(wo)们以前认为牛顿定律是支(zhi)配着整个世界的规律，但(dan)是有(you)了相对论(lun)之(zhi)后，我(wo)们发(fa)现牛顿定律可能并不是支(zhi)配整个世界最精确的规律。但(dan)我(wo)们在现实世界其实很难看到相对论(lun)效应，因为通常(chang)物体的运动速度远低(di)于光速。相对来说量子效应也(ye)是一样，在现实中宏观尺度下，量子效应也(ye)是很难被看到的。”
有(you)位听众询问(wen)孙晓明对当下流行的“量子纠缠”的看法，孙晓明说：“我(wo)们经常(chang)会打这样的比喻，就是说两个人心有(you)灵犀，不管距(ju)离有(you)多(duo)远，他(ta)们彼此之(zhi)间(jian)似乎有(you)一种心灵感应。在物理学中，这指的是一个粒(li)子呈现出某种状态，譬如电子自旋朝上(shang)，那么另(ling)一个电子自旋也(ye)是朝上(shang)的。当然这件事(shi)情(qing)听上(shang)去(qu)很不可思议，但(dan)是事(shi)实上(shang)物理学家已经从实验(yan)上(shang)去(qu)证实了这一点。去(qu)年诺(nuo)贝尔物理学奖的获奖工作就是从实验(yan)上(shang)验(yan)证了量子力学违背贝尔不等式的结论(lun)。”同时，他(ta)也(ye)表(biao)示“整个量子理论(lun)体系还存在着可以进一步完善的地方”。
最后，关(guan)于听众提出的AI和量子计(ji)算(suan)如何结合(he)的问(wen)题，孙晓明告诉读者，目前确实有(you)人工智(zhi)能的一个子方向叫量子机器学习，“我(wo)个人觉得它可以跟机器学习有(you)很好的结合(he)，但(dan)是量子计(ji)算(suan)跟大模型，特别是大语言模型，是不一样的。现在大语言模型基本上(shang)是生成一个序列(lie)，某种意义上(shang)它像一个串行的计(ji)算(suan)，而量子擅长的是并行的事(shi)情(qing)，它对神经网(wang)络(luo)可能可以做一些优化，但(dan)是在这种大语言模型上(shang)可能不一定擅长，至少从我(wo)个人来看，现在还没有(you)找到很好的点去(qu)将二者结合(he)。”
此次活动面向公众，参与活动的一名中学生表(biao)示，老师讲得“很给力”，他(ta)说：“我(wo)们老师说量子力学比较复杂(za)，但(dan)我(wo)喜欢，就想来听听。”他(ta)向记者展示了自己(ji)的笔(bi)记，这名中学生是由父(fu)亲陪同而来的，他(ta)的父(fu)亲在一旁补充说：“讲座很有(you)意思。本来我(wo)对量子物理领域一窍不通，但(dan)是现在觉得量子物理很厉(li)害(hai)，我(wo)想这个领域前景一定很好。”文/刘晨摄(she)影/刘汉
活动简介(jie)
“科技耀京(jing)城”系列(lie)讲座是由北京(jing)市科学技术协会主办，北京(jing)青年报(bao)社承办的科学文化传播(bo)活动。每(mei)场活动会走进一家书店，邀请一位科学界专家学者，介(jie)绍(shao)一个前沿科学领域，展现一项国家科技成就，完成一次科学精神的传递。
近年来，随着量子科技的不断发(fa)展，推动了诸(zhu)如原子能、激光技术、超导材料、全球卫星定位系统(tong)等众多(duo)技术的发(fa)明与进步。量子产业正在开辟未来产业“新赛道”，推动新质生产力的快速发(fa)展。为了让公众了解量子科技，本次讲座我(wo)们邀请了中国科学院计(ji)算(suan)技术研究所研究员孙晓明为公众揭开量子计(ji)算(suan)的神秘(mi)面纱。
主讲嘉宾
孙晓明，中国科学院计(ji)算(suan)技术研究所研究员，量子计(ji)算(suan)与算(suan)法理论(lun)实验(yan)室主任，国家杰出青年科学基金(jin)获得者。主要研究领域为算(suan)法与计(ji)算(suan)复杂(za)性、量子计(ji)算(suan)等，曾获王选杰出青年学者奖等。
书店介(jie)绍(shao)
王府井书店隶属北京(jing)发(fa)行集(ji)团，成立于1949年2月10日，被广大读者誉为“共和国第一店”。
书店除了经营图书、文化用(yong)品、文创商品等，还为读者搭建(jian)了好的阅读场景，一层开辟了中轴线文化专区。三层有(you)“怀中读·阅童馆”，营造了一个家长与孩子共同阅读的场景，通过共读，为父(fu)母创造与孩子沟(gou)通的机会，分享读书的感动和乐趣。六层设有(you)与北京(jing)市东城区图书馆联合(he)创办的“馆店结合(he)”模式的“王府井图书馆”，为市民对于阅读体验(yan)的享受提供空间(jian)与优质服(fu)务，平(ping)均每(mei)月图书借阅册数(shu)近5000册，实现读者既可以在书店“购书”，又可以“借书”的阅读体验(yan)。
（北京(jing)青年报(bao)）