2025中關(guān)村論壇年會主題為“新質(zhì)生產(chǎn)力與全球科技合作”，邀請諾貝爾獎獲得者、頂級科學家、知名企業(yè)家，分享他們在科學研究、技術(shù)孵化、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)業(yè)洞察方面的深刻見解，為中國新質(zhì)生產(chǎn)力的培育，為面向全球的科技創(chuàng)新與交流指引方向。

2023年度國家最高科學技術(shù)獎獲得者、中國科學院院士、清華大學教授薛其坤先生發(fā)表以下主題演講——《從傳統(tǒng)計算機芯片到量子計算機芯片近80年物理“三明治”的故事》。

薛其坤 演講實錄：

尊敬的各位嘉賓，非常榮幸參加中關(guān)村論壇，下面我將用10分鐘的時間給大家講一個接近80年物理“三明治”的故事，覆蓋的是傳統(tǒng)計算機芯片到目前我們正在研制的量子計算機的芯片。

我的報告貫徹了習近平總書記關(guān)于量子科技發(fā)展的重要指示。首先給大家講一點非常初級的數(shù)學知識，第一個是冪指數(shù)，2的10次方是10個2相乘，等于1024，約等于1000，我們可以把它計為10的3次方，這就是我們現(xiàn)在二進位千字節(jié)的來源。如果我們把這個冪指數(shù)增加不是很多，到60，它就會約等于10的18次方，就是100億億，這是目前世界上最快的超級計算機每秒鐘處理的浮點數(shù)的數(shù)目。如果增加到70，可能會是下一代10萬億/秒浮點數(shù)這種超級計算機的處理速度。

另一個就是非常初級的概率論，我們知道，一個硬幣有正反兩種狀態(tài)，我們計為2的1次方。如果有兩個硬幣，就變成4種狀態(tài)，2的平方，3的平方是2的3次方。如果有N個硬幣，就會產(chǎn)生2的N次方狀態(tài)。如果有60個硬幣，也很少，你的口袋就能裝下，它會產(chǎn)生剛才我談到的10的18次方，100億億種狀態(tài)，這就是量子計算機最根本的地方。

我們自然界的材料只有兩類，用物理學分類比較簡單，一個導(dǎo)電的導(dǎo)體，還有一個是不導(dǎo)電的絕緣體。如果這個絕緣體不足夠絕緣，我們量子理論可以定義一個在這個基礎(chǔ)上的半導(dǎo)體，半導(dǎo)體可以通過一些外界的電場等手段，控制這個材料的導(dǎo)和不導(dǎo)，這樣就是我們數(shù)字電路中的0和1，也就是建立了整個數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)。

在1947年的時候，半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管發(fā)明，它的結(jié)構(gòu)就像一個不對稱的三明治，上面有一個電極，還有一個絕緣的，最下面就是我們常見的半導(dǎo)體硅。在導(dǎo)體這邊，如果我們降溫的話，一部分導(dǎo)體就會變成超導(dǎo)體，電阻徹底消失。在1962年的時候，約瑟夫森先生發(fā)明了超導(dǎo)的三明治，就像這個示意圖所顯示得這樣，三明治會產(chǎn)生一個非常奇怪的量子效應(yīng)，叫“約瑟夫森效應(yīng)”。

大家都知道，晶體管的發(fā)明，包括在這個基礎(chǔ)上集成電路的發(fā)明，先后兩次獲得了諾貝爾物理獎。在過去的80多年間，我們見證了一個非常簡單的非對稱的三明治發(fā)展的奇跡，以至于我們現(xiàn)在的超級計算機可達到剛才我提到的每秒達到100億億浮點數(shù)的信息處理速度，但這個超級計算機的晶體管數(shù)目達到了6千萬億個，占地3畝左右，每天消耗的電是50萬度，當然咱們中國天河、神威等等也接近這個處理速度，但是非常龐大。

在過去的1/4世紀，我們又見證了從CPU到GPU，當然它的核心還是剛才我談到的半導(dǎo)體三明治這個發(fā)展，這個大家都非常清楚。我們知道，在人工智能時代，今天講的很多包括機器人方面，人工智能需要強大的算力，比如清華大學唐杰教授他們做的一個6秒的視頻，他們用了2千張H100的GPU芯片要訓(xùn)練一個月，當然現(xiàn)在可能發(fā)生了一些變化。如果變成30秒的視頻，就需要4千張這樣的芯片，要訓(xùn)練3個月。如果我們做一個兩小時的電影，可能我們一個電站發(fā)的電量都不夠用。所以在AI和相關(guān)技術(shù)爆發(fā)式發(fā)展階段，我們需要更高的算力，所以算力的需求是一個剛性需求，當然要更高的存儲密度、更低的能耗。

解決這樣一個問題的方案就是諾貝爾獎獲得者塞爾日·阿羅什先生提到的量子計算機，量子計算機實際上就是通過他談到的量子糾纏和疊加，同時操控N個量子比特，我們叫量子硬幣的2N種狀態(tài)進行并行運算的物理裝置。由于我剛才提到的冪指數(shù)關(guān)系，我們只有60個邏輯比特的量子計算機，如果是理想狀態(tài)下的話，它就趕上我們一個占3畝地的超級計算機的運行速度或者相比擬，所以指數(shù)加速原理就是我們研制量子計算機背后的科學原理。

究竟量子計算機的晶體管或者量子比特長什么樣？就是我剛才提到的超導(dǎo)三明治。我們現(xiàn)在用的超導(dǎo)材料一般是鋁，鋁大家都用，我們家里用的鋁壺就是鋁。鋁氧化了以后就變成了氧化鋁，就是三明治中間的火腿，所以我說我們的超導(dǎo)量子晶體管或者量子比特就像生了銹的一個鋁壺那樣，當然這個比喻不一定特別恰當。但是我們知道，鋁的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度要是-272度。從超導(dǎo)三明治約瑟夫森效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，到把這樣一個三明治變成一個超導(dǎo)的晶體管或者是量子的比特，花了近40年的研究，所以需要非常漫長的基礎(chǔ)科研，才能把一個原理變成一個真正有可能實現(xiàn)的技術(shù)，這一點也是我希望在論壇上發(fā)出的一個聲音。

我在這里做一個簡單的對比，左邊是我們場效應(yīng)晶體管對應(yīng)的傳統(tǒng)比特，是一個不對稱的半導(dǎo)體三明治，它的工作溫度，室溫就可以工作，但是我們的超導(dǎo)量子比特晶體管，這個三明治需要在-273度，幾乎達到絕對0度的狀態(tài)下才能進行有效的量子信息處理。這就造成了我們超導(dǎo)量子計算機長成什么樣子？它長得非常丑陋，因為它需要一個強大的制冷機。不管我們北京量子院還是全世界正在發(fā)展的超導(dǎo)量子計算機，像IBM的，都需要一個強大的制冷機，制冷一個非常小的，并不是包含很多晶體管的這么一個芯片。因為需要這么一個強大的芯片，我們預(yù)期未來如果研制成功，超導(dǎo)量子計算機具有通用的我們超級計算機那種功能的話，它占地可能也需要1/4個足球場，所以你永遠會見不到一個超導(dǎo)量子計算機的筆記本電腦。

當然，除了超導(dǎo)以外，還有離子阱和原子陣列，咱們北京這方面有非常好的基礎(chǔ)。比如我們清華大學和我所在的北京量子院，北京市的一個新型研發(fā)機構(gòu)也都在探索，除了超導(dǎo)量子計算機以外，還有其他途徑的量子計算機，究竟最后誰贏？上一個報告也指出了，現(xiàn)在我們都沒有一個明確的結(jié)論，還需要繼續(xù)研究。起碼一個最大的挑戰(zhàn)就是極高的保真度，現(xiàn)在我們這個超導(dǎo)量子比特，晶體管的出錯率大概是10的負3次方到-4次方，也就是1千到1萬次操作將會出一次錯，但是我們希望研制成的通用量子計算機邏輯比特的出錯率是10的-10次方，所以我們還有非常漫長的道路需要走。大家都知道，我們半導(dǎo)體這個晶體管，這個三明治的出錯率大約是10的-15次方，所以我們相對于半導(dǎo)體的晶體管相比，超導(dǎo)方面還有非常多的工作要做。

什么時候才能研制出量子計算機？也許永遠研制不成功，也許需要10年到20年。但是不管怎么樣，我想強調(diào)的是，通用量子計算機的研制挑戰(zhàn)我們?nèi)祟惖淖罡咧腔?，研發(fā)難度肯定要高于人類的首次登月，是一個國家最強科技實力的象征之一。所以從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用開發(fā)方面，我們國家也出臺了一系列政策高度重視。當然，未來還會建基于超導(dǎo)的量子云等等。

總而言之，基礎(chǔ)研究的發(fā)現(xiàn)往往會催生一些革命性的工業(yè)基礎(chǔ)，但是從科學發(fā)現(xiàn)最后走向產(chǎn)業(yè)需要很長的時間，在量子信息這種高科技領(lǐng)域這一點表現(xiàn)得更加突出。所以我們要統(tǒng)籌好基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、產(chǎn)業(yè)商業(yè)化，包括人才方面，也要統(tǒng)籌好長期和短期的關(guān)系，我們這個量子三明治的故事可能才能繼續(xù)進行下去。希望有一天走向真正的應(yīng)用，給我們的強人工智能、通用人工智能時代提供強大的算力，包括很多其他方面的應(yīng)用。

我的報告就到這里，謝謝大家！

注：本文來源于2025中關(guān)村論壇年會嘉賓現(xiàn)場演講速記，文中內(nèi)容僅代表專家個人觀點