“新产业50人论坛”之清华龙桂鲁教授：量子信息与创新发展
10月23日，由中关村发展集团主办，中关村产业研究院承办的“新产业50人论坛”在中关村国家自主创新示范区展示中心成功举办。本场论坛以“未来即来：数智时代的新产业”为主题，围绕“数智”、“量子”、“双碳”等核心议题，邀请了产业专家与技术专家、国家部委、北京市政府及地方政府相关领导、中央企业及北京市属国企、专业园区相关领导、以及领军企业、投资机构、金融机构、新锐创新创业企业、行业联盟、产业组织与服务机构等相关负责人，齐聚一堂，凝聚发展共识，共话产业发展之路，共谋未来产业新篇。
量子前哨作为特邀媒体参加了此次论坛。
北京量子信息科学院副院长、清华大学教授龙桂鲁
论坛现场，北京量子信息科学院副院长、清华大学教授龙桂鲁发表了《量子信息与创新发展》主题演讲。在演讲中，龙桂鲁教授总结了量子计算领域内的发展和成果，并判断认为在量子计算体现变革潜力的商业领域中，金融服务将脱颖而出，原因在于预期收益高、行业反应更积极、开始准备早。
以下是演讲的主要内容：
量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。从1600年至2000年的科学革命发展史上看，分别经历了：
英国在18世纪60年代发生的第一次技术革命（蒸汽技术的能量守恒定律）；
德国、美国在19世纪60年代发生的第二次技术革命（电力技术的电磁波理论）；
美国、日本等在20世纪50年代发生的第三次技术革命（信息技术的相对论/量子力学、诺依曼/图灵理论）；
龙桂鲁教授对21世纪30年代的第四次技术革命提出了疑问，量子技术、人工智能、生物技术等谁能占得先机？目前还未可知。
量子理论是在1900年前后提出，1920s建立起来，是理解微观物质世界基本规律的理论体系，也是人类迄今建立的最基础、最精确和最深奥的科学理论之一。可覆盖领域包括信息处理（半导体晶体管集成电路）、信息储存（硬盘巨磁阻效应）、信息显示（液晶）、信息传输（激光器、激光二极管、光纤、蓝光二极管）、信息获取（CCD图像传感器核磁共振、原子钟）。
演讲现场
龙桂鲁教授提到，第一次量子革命是从被动认识量子世界、发现量子效应去发展技术和应用，第二次量子革命是从主动操控量子态/量子效应去发展量子技术和应用。例如量子科学基础研究、量子计算、量子通信和量子精密测量。
那什么是量子计算机？为什么比经典计算机快？现在发展到什么地步？科学革命为什么能引发技术革命？
因为科学的革命提供了新的手段，龙桂鲁教授在现场用“量子悟空，三变八”的有趣例子进行了解释。龙桂鲁教授认为，量子计算机是以许多量子比特组成的叠加态为计算载体，以射频脉冲等量子操作进行计算，经过测量读出结果的完全新型的计算机。它具有量子并行计算能力，具有远远超越经典计算机的能力。举例来看，量子并行的情况下，一台3比特量子计算机等价于2^3=8台同时工作的3比特经典计算机，而一台3个比特的经典计算机只有3个比特在工作，一次只能对一个数据进行操作。
演讲现场，龙桂鲁教授将2016年至今参与量子技术竞争与突破的大公司（谷歌、IBM等）进行了对比。他指出，NISQ时代的量子计算机，具有个头巨大（2^1000个态空间）、有蛮力气、缺乏耐心、粗心大意的特点，且要用算法“哄”傻大个去做经典超级计算机无法做的事情。
通用型量子计算机的“硅锗”之争：超导量子比特VS离子阱
2020年，IBM公司公布了旗下超导量子计算机发展路线图，2021年127量子比特（Eagle），2022年433量子比特（Osprey），2023年建造一台包含1121量子比特（Condor）的量子计算机，5年达到100万量子比特。同时，谷歌计划在10年内建造一台容纳100万个量子比特的量子计算机，龙桂鲁教授透露，北京量子院在制备50量子比特超导量子计算机。超导方案的优点是易于扩大量子比特规模，但缺点是精度稍低，而同类方案还有拓扑量子计算、量子点方案、它们都可以采用现代半导体加工工艺。
2020年10月1日美国IonQ公司宣布，推出“具有32个完美的量子比特、且门误差相当低”的最新款离子阱量子计算机，其量子体积有望达成到400万（相当于22个量子比特做22步计算）。优点是精度高，缺点是扩大规模难。
目前，北京量子信息科学研究院发布实现了世界上最长寿命（相干时间最长）的超导量子比特的制备，并实现了优化算法的量子加速。
在应用场景上，龙桂鲁教授提到，量子计算机可大幅度提升算力，用于物质研究、密码分析、材料设计、药物研发、人工智能、气象预报、战场分析、指挥决策、大数据分析、银行金融等方向。而北京量子院的量子软件——全量子本征求解器（FQE）即可用于化学、药物领域。
现场观众
龙桂鲁教授强调，根据2020年BCG报告显示，量子计算仍处于起步阶段，但不管企业规模大小，金融机构都应认识到，这种复杂的新兴技术既是一个改变游戏规则的机会，也是一种生存威胁。
他提到，在量子计算体现变革潜力的商业领域中，金融服务能够脱颖而出的原因是：
预期收益高：随着技术在未来几十年的成熟，银行和其他金融服务公司的营业收入将增加近700亿美元；
反应更积极：金融机构是采用先进技术并开发实际应用的最积极的公司；
早开始准备：越来越多的金融机构开始通过招募、投资机建立伙伴关系为适应未来量子领域发展做好准备。
其中，金融领域潜在的应用场景包括：
1、优化。包括投资组合分配和再平衡、资本分配、ATM网络中的现金管理、金融套利和收益率曲线拟合等，量子算法涉及FQE、量子近似优化算法。
2、机器学习。改善众多业务流程，并试图找到更好地将数据货币化的方法，客户信用评分、智能反欺诈等，量子算法涉及量子机器学习算法。
3、模拟和定价。基于蒙特卡洛方法，金融衍生产品的定价，量子算法涉及参数化量子线路算法，振幅估计算法，Grover-Long搜索算法。
量子通信的用途和目前的进展？
龙桂鲁教授认为，量子通信是通过移动量子态完成的任务。1970年，出现了量子货币的概念，1984年出现了量子密钥分发，1992年有量子密集编码，1993年有量子隐形传态，1999年则出现了量子秘密共享，2000年研发了量子安全直接通信（这也是龙桂鲁和刘晓曙团队的研究方向）。
在国内外量子通信领域的专利情况，美国和日本在量子通信领域的早期专利申请量较多，但近年来，专利申请地域向中国转移。对比专利申请和专利授权来看，由于早期中国专利申请量较少，所以目前看中国专利数量少于美国，但是随着我国在量子通信基础研究和应用探索的不断深入，以及量子保密通信产业的发展，预计未来专利授权量还将继续上升，而且也将吸引更多的外国公司来华布局专利。
论坛现场，龙桂鲁还公布了北京量子院当下的两大重点研发工程之一：全球量子互联网。通过量子通信、量子计算、量子探测等颠覆性技术的突破，形成通达全球的安全通信、算力重组、高灵敏传感、高精度时空基准等应用，打造量子基础设施网络，实现互联网从电子时代向量子时代的跨越。
文：慕一
编辑：王珩
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