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2019年8月28日晚，首期“协和咖啡馆”科普沙龙在协和西单院区咖啡厅举行。
“协和咖啡馆”科普沙龙在国家科学技术部、国家卫生健康委员会、中国科学技术协会指导下举办，由主讲嘉宾30分钟主题分享与50分钟互动交流构成。活动致力于为多个科学领域的专家学者搭建轻松愉悦的跨界交流平台，让科学的光芒以科普的形式照亮更多未知，为医学专家和医学事业的发展带来更多启发。
首期“协和咖啡馆”科普沙龙特别邀请到了中科院物理研究所研究员、固态量子信息与计算实验室主任范桁作题为“量子计算机：进展与展望”科普讲座。
量子计算和量子信息作为科技前沿领域，备受学界关注及重视。量子信息与量子计算机因其能实现量子精密测量、量子通信保密、量子模拟、量子计算等功能，有望在未来涉及人工智能、大数据处理、搜索、生物制药、物流优化等领域，具有广阔的发展前景，成为当前研究的热点和重点之一，且国际间竞争激烈。
与会专家们与主讲嘉宾深度交流，就量子计算与医学信息安全、量子精密测量在医学中的应用、量子计算模拟药物化学合成可能性等医学相关话题进行探讨。尽管目前有关量子计算的探索仅限于实验室阶段，但展望未来，其应用前景充满无限可能。
主讲嘉宾：范桁
中科院物理研究所研究员、固态量子信息与计算实验室主任；中组部“万人计划”科技创新领军人才；发表SCI文章260余篇，其中Science 2篇，SCI引用4600余次；任Sci. Rep.编委， J. Phys. A编委，Front. Phys.编委；中国物理学会咨询委员会委员，低温物理委员会委员；中科院物理研究所学术委员会常务委员，学位委员会委员。
从备受争议到全球瞩目
——量子计算机的发展之路
实际上，量子计算机经历了非常曲折的发展过程。上世纪80年代便有学者着手进行研究，却因“太不可思议”而饱受质疑。1982年，物理学家、诺贝尔奖获得者理查德•费曼提出，既然世界是由基于量子力学的系统而构成，那么用现有的计算机来研究某些量子系统已经是鞭长莫及。若用量子计算机来模拟量子现象，研究小到量子物理性能、大到“高端宇宙”的问题，效率将变得十分可观。因此便有了“通用量子模拟机”概念的诞生，用于执行量子模拟的功能。随着量子计算机理论及其推论的不断完善、其突破获得物理学界不断认可，人们开始意识到量子计算机并非纸上谈兵，反而是最有前景实现实用化的一项技术。
此外，量子算法被发现擅长有效解决“大数分解”问题计算机的发展，使得量子计算机在计算能力方面独具优势。同时产生的问题是，可轻而易举地破解广泛应用于银行及网络的RSA密码系统，对现有保密系统的安全性构成威胁，因而量子计算机、量子保密通信和量子密码就成为“输不起”“不敢输”的前沿研究领域。
量子计算机作为一种具有良好发展前景的变革性技术，正成为各国科技战略布局必争之地，如超导量子计算和量子模拟领域就有多个高科技公司的强势介入。
量子力学加计算机
——量子计算机的基本概念
量子计算机的运行遵循量子力学原理，以量子比特为基本量子信息单元，以量子纠缠、量子测量、相干叠加为特色，以解决实用和科学问题为目标。
量子计算机中所谓的“量子”用某种物质作为载体，如超导电路、原子、冷原子光晶格中的冷原子、腔阵列中的微小腔、离子阱中的离子、激光中的光子等。当选择光子作为载体时，一个光子就相当于一个量子比特。因量子具有“叠加态”这一特殊属性，如“薛定谔的猫”，观测时可以得到完全不同的状态，即一次测量总是测不准的，称为“测不准原理”，需要大量测量才可以测得其状态。量子计算机使用量子态相干叠加作为信息载体，通过多个量子比特之间的纠缠等性质来进行大规模的量子计算。
目前的超导量子计算机在外观上只是实验室中的大量设备，量子计算在芯片中进行，芯片制作模式与普通计算机类似，相当于量子计算机的CPU。未来可以实用的量子计算机也许就像一个界面友好的程序，在云端执行处理用户提交的任务并反馈结果。
相辅相成or优胜劣汰
——量子计算机与普通计算机的关系
量子计算机的诞生有其必要性与可行性：摩尔定律所依赖的技术基础受限，使得普通计算机发展到一定程度会遭遇瓶颈计算机的发展，迫切需要新的信息技术为其提供支持；量子态操控技术的发展，为实现量子计算与模拟提供了可能。
量子计算机与普通计算机存在运行模式与储存空间的差异。与普通计算机在0和1二进制系统上以或、与、非这样的逻辑门运行不同，量子计算机的底层运行模式符合量子力学原理。普通计算机还存在运算效率、存储空间的问题。即使是“天河二号”或“神威•太湖之光”这类超级计算机，其存储量子态能力也只与50个量子比特的量子计算机相当。而量子计算机具有“可扩展性”这一优势特征，即通过增加量子比特数目来增大量子计算的规模。50个量子比特表示2的50次方，每增加1个量子比特，使用普通计算机进行模拟的运行时间、矩阵及存储所需空间就增加一倍。而目前已建成20个量子比特的量子计算机，50个量子比特已成为目之所及。因此从长远来看，量子计算机强大的运算能力将令普通计算机望尘莫及。
尽管量子计算机拓展了计算能力及解决问题的范围，但也并非万能，如难以解决“邮递员问题”。普通计算机与量子计算机各有所长，甚至在处理某些问题上，量子芯片并不如经典芯片。未来二者应处于相辅相成的状态，未来计算机是两者的有机结合。
理论之上实践未满
——量子计算机的前沿应用
《自然》杂志2017年发表的一篇研究显示，量子计算机在模拟“时间晶体”这种奇特的物态时独具优势，也可展示凝聚态多体量子物理特色。量子计算机还可以进行量子化学模拟，譬如模拟某种药物是否可以通过化学合成。量子信息技术能够应用于探测脑磁、心磁的磁力计，可以看作是量子精密测量在医学中的应用，该仪器通过量子效应来探测生物磁非常微弱的信号。此外，量子计算机在医学大数据的存储方面也非常具有潜力，但如何将现有的数据转化为量子态进行存储、运算仍在研究中。至于在生物医学领域的其他应用场景仍需要探索，其一是因为量子效应在生物里还没有得到展示，其二是受限于已知量子算法的数量，量子计算机可知的应用范围也非常局限，但作为一种变革性技术，其各种应用仍然值得期待。
理论上，量子计算机能有效地模拟自然宇宙中任何物理过程，人工智能、大数据、生物制药等均为其应用可能。迄今为止，世界上还没有诞生真正意义上的量子计算机，目前的探索与算法测试仅限于实验室阶段，都是为真正的量子计算机铺路。可以说，前景虽远，但仍然充满无限的可能。
科普沙龙掠影
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文字整理：周海若、王晶
摄影：王鹏飞
文中部分图片来自网络
监制/张抒扬 主编/陈明雁
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