来源：经济学家圈
主题为“新质生产力与全球科技合作”的2025中关村论坛年会近期召开，2023年度国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士、清华大学教授薛其坤发表演讲。本文来源：中关村论坛
本账号接受投稿，投稿邮箱：jingjixuejiaquan@126.com ]article_adlist-->薛其坤：从传统计算机芯片到量子计算机芯片近80年物理“三明治”的故事
尊敬的各位嘉宾，非常荣幸参加中关村论坛，下面我将用10分钟的时间给大家讲一个接近80年物理“三明治”的故事，覆盖的是传统计算机芯片到目前我们正在研制的量子计算机的芯片。
我的报告贯彻了习近平总书记关于量子科技发展的重要指示。首先给大家讲一点非常初级的数学知识，第一个是幂指数，2的10次方是10个2相乘，等于1024，约等于1000，我们可以把它计为10的3次方，这就是我们现在二进位千字节的来源。如果我们把这个幂指数增加不是很多，到60，它就会约等于10的18次方，就是100亿亿，这是目前世界上最快的超级计算机每秒钟处理的浮点数的数目。如果增加到70，可能会是下一代10万亿/秒浮点数这种超级计算机的处理速度。
另一个就是非常初级的概率论，我们知道，一个硬币有正反两种状态，我们计为2的1次方。如果有两个硬币，就变成4种状态，2的平方，3的平方是2的3次方。如果有N个硬币，就会产生2的N次方状态。如果有60个硬币，也很少，你的口袋就能装下，它会产生刚才我谈到的10的18次方，100亿亿种状态，这就是量子计算机最根本的地方。
我们自然界的材料只有两类，用物理学分类比较简单，一个导电的导体，还有一个是不导电的绝缘体。如果这个绝缘体不足够绝缘，我们量子理论可以定义一个在这个基础上的半导体，半导体可以通过一些外界的电场等手段，控制这个材料的导和不导，这样就是我们数字电路中的0和1，也就是建立了整个数字技术的基础。
在1947年的时候，半导体场效应晶体管发明，它的结构就像一个不对称的三明治，上面有一个电极，还有一个绝缘的，最下面就是我们常见的半导体硅。在导体这边，如果我们降温的话，一部分导体就会变成超导体，电阻彻底消失。在1962年的时候，约瑟夫森先生发明了超导的三明治，就像这个示意图所显示得这样，三明治会产生一个非常奇怪的量子效应，叫“约瑟夫森效应”。
大家都知道，晶体管的发明，包括在这个基础上集成电路的发明，先后两次获得了诺贝尔物理奖。在过去的80多年间，我们见证了一个非常简单的非对称的三明治发展的奇迹，以至于我们现在的超级计算机可达到刚才我提到的每秒达到100亿亿浮点数的信息处理速度，但这个超级计算机的晶体管数目达到了6千万亿个，占地3亩左右，每天消耗的电是50万度，当然咱们中国天河、神威等等也接近这个处理速度，但是非常庞大。
在过去的1/4世纪，我们又见证了从CPU到GPU，当然它的核心还是刚才我谈到的半导体三明治这个发展，这个大家都非常清楚。我们知道，在人工智能时代，今天讲的很多包括机器人方面，人工智能需要强大的算力，比如清华大学唐杰教授他们做的一个6秒的视频，他们用了2千张H100的GPU芯片要训练一个月，当然现在可能发生了一些变化。如果变成30秒的视频，就需要4千张这样的芯片，要训练3个月。如果我们做一个两小时的电影，可能我们一个电站发的电量都不够用。所以在AI和相关技术爆发式发展阶段，我们需要更高的算力，所以算力的需求是一个刚性需求，当然要更高的存储密度、更低的能耗。
解决这样一个问题的方案就是诺贝尔奖获得者塞尔日·阿罗什先生提到的量子计算机，量子计算机实际上就是通过他谈到的量子纠缠和叠加，同时操控N个量子比特，我们叫量子硬币的2N种状态进行并行运算的物理装置。由于我刚才提到的幂指数关系，我们只有60个逻辑比特的量子计算机，如果是理想状态下的话，它就赶上我们一个占3亩地的超级计算机的运行速度或者相比拟，所以指数加速原理就是我们研制量子计算机背后的科学原理。
究竟量子计算机的晶体管或者量子比特长什么样？就是我刚才提到的超导三明治。我们现在用的超导材料一般是铝，铝大家都用，我们家里用的铝壶就是铝。铝氧化了以后就变成了氧化铝，就是三明治中间的火腿，所以我说我们的超导量子晶体管或者量子比特就像生了锈的一个铝壶那样，当然这个比喻不一定特别恰当。但是我们知道，铝的超导转变温度要是-272度。从超导三明治约瑟夫森效应发现，到把这样一个三明治变成一个超导的晶体管或者是量子的比特，花了近40年的研究，所以需要非常漫长的基础科研，才能把一个原理变成一个真正有可能实现的技术，这一点也是我希望在论坛上发出的一个声音。
我在这里做一个简单的对比，左边是我们场效应晶体管对应的传统比特，是一个不对称的半导体三明治，它的工作温度，室温就可以工作，但是我们的超导量子比特晶体管，这个三明治需要在-273度，几乎达到绝对0度的状态下才能进行有效的量子信息处理。这就造成了我们超导量子计算机长成什么样子？它长得非常丑陋，因为它需要一个强大的制冷机。不管我们北京量子院还是全世界正在发展的超导量子计算机，像IBM的，都需要一个强大的制冷机，制冷一个非常小的，并不是包含很多晶体管的这么一个芯片。因为需要这么一个强大的芯片，我们预期未来如果研制成功，超导量子计算机具有通用的我们超级计算机那种功能的话，它占地可能也需要1/4个足球场，所以你永远会见不到一个超导量子计算机的笔记本电脑。
当然，除了超导以外，还有离子阱和原子阵列，咱们北京这方面有非常好的基础。比如我们清华大学和我所在的北京量子院，北京市的一个新型研发机构也都在探索，除了超导量子计算机以外，还有其他途径的量子计算机，究竟最后谁赢？上一个报告也指出了，现在我们都没有一个明确的结论，还需要继续研究。起码一个最大的挑战就是极高的保真度，现在我们这个超导量子比特，晶体管的出错率大概是10的负3次方到-4次方，也就是1千到1万次操作将会出一次错，但是我们希望研制成的通用量子计算机逻辑比特的出错率是10的-10次方，所以我们还有非常漫长的道路需要走。大家都知道，我们半导体这个晶体管，这个三明治的出错率大约是10的-15次方，所以我们相对于半导体的晶体管相比，超导方面还有非常多的工作要做。
什么时候才能研制出量子计算机？也许永远研制不成功，也许需要10年到20年。但是不管怎么样，我想强调的是，通用量子计算机的研制挑战我们人类的最高智慧，研发难度肯定要高于人类的首次登月，是一个国家最强科技实力的象征之一。所以从基础研究到应用开发方面，我们国家也出台了一系列政策高度重视。当然，未来还会建基于超导的量子云等等。
总而言之，基础研究的发现往往会催生一些革命性的工业基础，但是从科学发现最后走向产业需要很长的时间，在量子信息这种高科技领域这一点表现得更加突出。所以我们要统筹好基础研究、应用基础研究、产业商业化，包括人才方面，也要统筹好长期和短期的关系，我们这个量子三明治的故事可能才能继续进行下去。希望有一天走向真正的应用，给我们的强人工智能、通用人工智能时代提供强大的算力，包括很多其他方面的应用。
我的报告就到这里，谢谢大家！■
入群可参加全年至少12场精彩闭门研讨 ]article_adlist-->
]article_adlist-->扫描添加知识星球获得《小报告》
特别声明：以上内容仅代表作者本人的观点或立场，不代表新浪财经头条的观点或立场。如因作品内容、版权或其他问题需要与新浪财经头条联系的，请于上述内容发布后的30天内进行。
海量资讯、精准解读，尽在新浪财经APP