## 硬科技报告 | 工程师的两个终极梦想

你好，这里是《邵恒头条》，我是邵恒。

今天我想跟你分享的材料是刚刚出炉的12月《硬科技报告》。在这期报告里，彭天放老师带来了咱们国家的两个好消息：中国科学家在量子计算和可控核聚变领域，分别实现了里程碑式的突破。这两项突破意义重大——它们是在为下一代的信息革命和能源革命铺路。

话不多说，咱们赶紧听听彭天放老师的解读。

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你好，我是彭天放，欢迎来到12月的《硬科技报告》。

在过去的30天里，关注中国科技进展的同学们，我猜应该是特别幸福的。因为这段时间里中国有重大意义的科技进展，简直可以用上天入地来形容。比如像是“奋斗者”号载人潜水、“嫦娥”五号月球采样、大涵道比的航空发动机试飞等等，让人眼花缭乱。

不过在这么多科技进展里，我依然挑选出了特别值得你关注的两项。这两项进展所在的领域，大概分别代表了在能量和信息这两个维度上，我们今天这一代工程师的终极梦想——是的，你可能已经猜到了，我为你推荐的两项进展，分别来自于中国的量子计算和受控核聚变领域。

1. 中国量子计算原型机“九章”问世，首次实现量子优越性

先说量子计算吧。12月4号，中国科学技术大学潘建伟院士的研究团队在《科学》杂志上发表了一项里程碑式的突破——我国量子计算的原型机“九章”正式问世了，并且在解决高斯玻色子取样这个数学问题上，达到了今天最快的超级计算机100万亿倍的计算速度。这也让我国成为继去年的美国之后，世界上第二个实现了“量子优越性”的国家。

这里所谓的“量子优越性”的概念，可能一些同学有点陌生。其实它跟另一个我们更熟悉的说法——“量子霸权”是同一个概念，仅仅是英文翻译的区别。它指的是，当我们能运用量子计算的原理，计算某个数学问题的速度，远远超过今天最强大的超级计算机的时候，就可以说我们在这个问题上实现了“量子优越性”。

看到这项进展之后，我想很多同学一定会好奇，既然“九章”已经比现在最快的超级计算机快100万亿倍了，那像是破解比特币的加密算法、药物研发、人工智能运算等等这些事情，是不是现在一瞬间就可以完成了？

很可惜，答案是不能。尽管“九章”原型机的技术成就很了不起，但绝大部分像是上面提到的这些有实用价值的运算任务，目前看来还是完全没法处理的。而且不仅“九章”没法运行这些任务，去年同样实现了量子优越性的，来自美国谷歌公司的“悬铃木”原型机也没法运行。

这是为什么呢？这是因为，今天很多人在听到科学家实现了“量子优越性”的时候，往往跟另一个非常重要的概念弄混了——那就是堪称计算机工程师终极梦想的“通用量子计算机”。

我们大部分人心目中想的那种既可以破解密码，又可以做科学计算，甚至像电影《头号玩家》里面那样，能够干脆创造一个平行世界的无所不能的计算机，大概都是这种“通用量子计算机”。今天我们实现的“量子优越性”，其实只是迈向这个终极梦想的第一步。

为什么说“通用量子计算机”是计算机工程师的终极梦想呢？最重要的原因是它的运算能力简直强大到让我们难以想象。我们做一个粗略的对比：今天世界上最强的超级计算机日本的“富岳”号，大概是由800万块芯片组成的。按照每块芯片有100亿个晶体管算下来，“富岳”号里面大概有2的53次方个晶体管。而我们知道，量子计算机利用的是量子系统具备叠加态的特点，每一个参与运算的量子比特是可以处于既是0又是1的状态的。这就意味着n个通用量子比特，大概相当于传统计算机中2的n次方个晶体管的效果。换句话说，通用量子计算机如果想要超过“富岳”号的800万块芯片，其实也只需要大概50多量子比特的就可以了。

听起来是不是前景非常诱人？但是很可惜的是，量子系统本身非常容易受到外界环境的干扰，真正在现实中要把它搭建成用来计算的设备，是一个极为困难的工程难题，甚至通用量子计算机是不是真的有可能被建造出来，大家心里都还没有底。

于是，全世界的计算机科学家们就在想，我们能不能先初步搭建一个样品。在一些非常特殊的问题上先试一试量子计算到底能不能行？这个思路，就是今天所谓“量子优越性”的来源。

现在当我们说在实验室里实现了“量子优越性”，指的都是科研人员通过高超的工程能力搭建的实验系统，初步验证了量子计算的原理，确实可以在一些特定数学问题上，比传统计算机更快地得到结果。它主要的意义，在于通过实验验证量子计算的可行性。这也是中国和美国研究论文中所使用的设备，都被叫做量子计算“原型机”的原因。

另外值得注意的是，这些研究中用来验证量子计算优越性的数学问题，其实是专门针对原型机的特点量身定制的。而不是很多人误解的，为了解决实际问题而设计原型机。比如，谷歌公司的原型机“悬铃木”，计算的就是一个叫做“随机线路采样”的任务；而我们这一次的原型机“九章”，计算的是一个叫做“高斯玻色子采样”的任务。

这些数学问题的细节，你不用过多关心。你需要了解的是，它们都是科学家们精心挑选出来的，对于传统计算机来说运算量巨大，而量子原理下的运算特别有优势的问题。

打个不太恰当的比方，这就好比我们想用白开水来做计算机, 需要验证白开水的优越性。就必须选择一个对白开水特别有利的数学问题，经过精心筛选之后呢，我们选择“水分子的平均动能”这个问题。

传统计算机怎么计算这个问题呢？——它需要模拟数以万亿计的分子的速度、位置还有相互碰撞。而我们的白开水计算机，只需要烧一杯开水，再冻一杯冰水，把它们对到一起，再用温度计测量一下温度，就得到了杯中这些水分子的平均动能。这样，我们就验证了白开水计算机，在水分子平均动能这个问题上的优越性。

不过听到这里，有些同学可能会说“你这不是在开玩笑吧？要是这样的话我在茶水间就能做出一台量子计算机”——诶，先别急，上面这个例子，其实是把量子计算用生活中平常的现象，来说明科学家验证量子优越性的思路。

真正的魔鬼在后面，那就是把上面的白开水换成光量子，搭建出一套真正具备优越性的光量子原型机。这个工程难度非常高，甚至以往在科学界，搭建20个以上光量子的原型机，被认为是几乎不太可能的任务。这也是这一次潘建伟院士的团队最了不起的地方。

搭建量子系统有多难呢？首先，你需要每一次都能精确产生一些光量子的光源（这篇研究中叫做单模压缩态光源）。让光量子进行模拟运算的光路系统，也要非常精密，这个精密程度相当于每百公里不能误差超过一个头发丝的精确度。而且，用来探测运算结果的光子探测器，需要能够精确地分辨出哪怕只有一个光子的能量。

这些设备听起来可能比较陌生，具体的名称你也不用专门记。你需要注意的是，上面提到的像是量子光源、单光子探测器这些设备，可不是市场上直接买来就能用的。需要科研人员们自己进行研发。

除此之外，这样一个复杂的量子光学系统，在真正搭建的过程中会面临大量的误差和干扰。甚至在屋里面跺一下脚，吹一口气，都有可能破坏实验室中精心搭建的光路系统。而这一次，我国的科学家们凭借着非常强大的工程技术能力，搭建出了这次76个光量子的原型机，确实非常了不起。

不过有同学可能还会好奇，人类现在实现的这种“量子优越性”，距离我们的终极目标“通用量子计算”还有多远呢？我们打个比方来说，这就如同1947年人类发明第一枚晶体管，到今天随处可见的集成电路芯片一样，可能至少还有几十年的时间。目前看，未来大概分成三个阶段：

首先，是学术界认为在未来5-8年内会逐渐诞生规模更大、可靠性更高的量子计算原型机；在这之后的第二个阶段，我们逐渐会让这种只能执行一种算法的量子原型机，具备一定程度的扩展性，作为专用计算机解决有实际应用价值的问题。最后一个阶段，才可能诞生计算机工程师的终极梦想——通用量子计算机。

不过注意，我这里说的是可能诞生，因为量子计算究竟能不能实现类似今天手机电脑这样通用化的计算，在理论层面上都还没有定论。但是我们愿意期待，在有生之年能看到这一天。因为这就是今天的工程师们能够想象出的，在信息处理这个维度上，最远的地平线。

2. 中国“人造太阳”实现首次放电

那既然提到在信息处理上的终极梦想，我们不妨也来看一看在运用能量的维度上，我们距离终极梦想——可控核聚变还有多远。

非常巧的是，同样是在12月4号，中国在这一领域也传来了重大的好消息——被称为新一代“人造太阳”的核聚变装置，中国环流器二号M装置成功实现了首次放电。这意味着，中国已经自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造和运行的相关技术，是我们在可控核聚变领域一项重大的技术进步。换句话说，我们国家距离使用核聚变作为能源发电又近了一步。

具体什么是托卡马克装置，我们稍后再讲。首先我们要知道，为什么我们要研究可控核聚变技术。简单来说，用可控核聚变来发电，几乎是人类未来能源的终极理想，它有三个非常重要的优点：

首先，核聚变过程产生的能量密度非常大。我们知道太阳发光发热的源头，就是太阳的内核在不断进行的核聚变反应。这种能量蕴藏在原子核的内部，它的能量密度是远远超过目前像是石油煤炭这样的化学能源，以及水能风能这样的可再生能源的。就拿氢元素聚变来讲，一克氢元素聚变所产生的能量，相当于8吨汽油燃烧所产生的热量。如果将来人类能用核聚变过程产生的能量发电，几乎可以说是掌握了我们在宇宙中已知的最强大的能量来源。

第二，是核聚变燃料的储量巨大。我们知道，在地球上建设可控核聚变发电站，可以使用海水中氢的同位素氘和氚来作为聚变燃料。而一升海水中大概可以提炼出33毫克氢的同位素，这个含量看起来可能不大。但是地球上有大约1400万亿吨的水，其中蕴含的核聚变原料，不仅远远大于今天地球上的石油煤炭储量，而且比现在核裂变发电站中使用的铀元素储量也要高得多。按照今天人类能量的使用速度，海水中的聚变燃料估计可以使用上百亿年，也就是可以使用到整个太阳系寿终正寝。

第三，是核聚变发电的过程非常清洁。这一点跟今天核裂变发电很不一样。核聚变发电不论是聚变燃料还是发电之后的核废料，放射性都很弱。即便发生核泄漏，也不会出现像福岛核事故这样严重的核污染事件。而且，核聚变的过程并不是化学反应，所以不会像燃烧石油煤炭一样释放二氧化碳这种温室气体，对缓解全球变暖还有非常巨大的好处。

出于这三个重要的优点，如果哪一天核聚变能够正式投入发电，几乎可以理解为一种取之不尽用之不竭的清洁能源。到时候，我们不仅很可能可以永久性地免费用电，而且像是芯片、手机、汽车甚至是水果蔬菜等等所有在生产中需要使用能量的消费品，它们的价格很有可能都会大幅下降。

听到这里有同学可能会问，既然核聚变发电的好处这么多，全世界的科学家们干脆大干快上，抓紧造出来呗。但是，制造一台能够耐受核聚变过程的核反应炉是非常困难的。

因为想要实现核聚变，需要原子具备巨大的动能进行相互碰撞，这个碰撞的动能需要大到足以突破原子外层的电磁力屏障。而我们知道原子动能的宏观表现的温度，科学家们算下来，发现为了启动并且维持核聚变反应，需要反应炉内部能够长时间维持在大约2亿摄氏度的高温。

这是一个高到离谱的温度。其实不要说2亿摄氏度了，哪怕在5000℃的温度下，地球上也没有任何一种材料能够不被融化——那怎么办呢？

这就要说到我们刚才提到的托卡马克装置了。所谓托卡马克其实是一个俄文缩写的音译，它的原义其实是环形真空磁线圈，是早在上世纪中期，就由苏联科学家们提出来的一种核聚变炉的技术模型。

它的基本原理其实很容易理解。在高中物理中我们就知道，带电粒子在垂直磁场方向运动的时候会呈现出圆周运动的状态，也就是说会原地打转。基于这个原理，如果我们把处于高温状态下，正在进行核反应的带电粒子，放到足够强大的磁场之中，就可以让核燃料一边进行核聚变反应，一边在一个环形的空间内原地打转。相当于用磁场构建出了一个肉眼不可见，但是非常坚固的能够耐受2亿摄氏度高温的反应炉，这就避免了聚变反应的高温融化反应容器的问题。

但是托卡马克装置的原理理解起来虽然很容易，但是真要把它制造出来却是非常困难的。比如，为了让装置内部达到2亿摄氏度的高温，就需要使用大概上千万瓦的微波设备对圆环的中心进行加热；为了产生足够强的磁场约束高温带电粒子，就需要由超导体构成的线圈提供强电流；再比如，托卡马克装置的内部，会不断受到高温带电粒子的冲击，需要一系列复杂的材料和内部结构，来维持整个装置的稳定运行等等。

由于无数类似上面这些技术上的难题，虽然托卡马克装置的模型已经被提出差不多70年了，但是世界上还没有任何一个组织成功制造出了能够用来进行商业化发电的托卡马克装置。

说到这里，就要提到中国这一次成功放电的环流器二号M装置了。这是我国目前规模最大、参数最高的托卡马克装置。它主要关注的方向，是一种托卡马克内部被称为偏滤器的设备。这种设备在反应炉内部的主要任务，是把核聚变反应中产生的核废料，也就是氢元素聚变成的氦元素，从高温的反应炉中剥离出来。从而让反应炉内部能够持续维持高效的核聚变反应。这就好比我们北方在吃铜锅涮肉的时候，需要把锅底下烧剩下的炭灰掏出来，火锅才能烧得更旺是一个道理。

只不过核聚变反应过程产生的“氦灰”往往还伴随着很多其他的带电粒子，以及复杂的物理反应，是我们不太清楚的。而恰恰这个掏炉灰的过程，又严重影响着反应炉的寿命，以及发电装置的可靠性。我们的环流器二号M装置，未来就是要在这些方面开展科学研究。

这一次环流器二号M装置的成功放电，并不意味着我们国家的核聚变反应炉可以用来发电了，但是它为今后真正具有实用意义的托卡马克装置打下了基础。值得一提的是，中国环流器二号M装置的背后，是我国中核集团核工业西南物理研究院的科学家们持续多年的技术创新，这也为之前一再延期的国际热核聚变反应堆计划（ITER），树立了一个好榜样。

按照目前的规划，我们人类大约会在2030年左右建成具有发电演示功能的核聚变工程反应堆，而在2050年前后有望建成核聚变发电站的原型。这又是一个有生之年值得我们期待的工程梦想。

我也非常希望直到那一天，我还能在这里为你解读其中的奥妙。

本期的《硬科技报告》就到这里，我们下一期再见！

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好，彭天放老师的解读听完了，我是邵恒。

不知道你是什么感受，反正我听了这一期的两条科技进展，还是挺心潮澎湃的。

这期《硬科技报告》让我想到经济学家张维迎在3年前写的一篇文章，叫《我所经历的三次工业革命》。

张维迎今年61岁。他说，他这个年龄的中国人，在半辈子的时间里，接连经历了第一次、第二次、第三次工业革命。我们用短短40年时间，走过了西方世界十代人走过的路。但是，在这三次工业革命中，我们主要还是在享受西方的科技成果。所以张维迎教授在文章里也提出一个期待，说希望中国能在下一次工业革命当中切换一下角色。希望我们不再只是搭便车的人，而是能作出原创性的技术贡献。

三年之后的今天，结合今天的硬科技报告再回顾张维迎这篇文章，我觉得我的信心更足了。不过，我的信心并不是因为某一项具体的科技突破，而是因为“引领下一步的技术革新”这一点，在过去这三年间已经变成了一个广泛的共识。

我也拜托彭天放老师，多帮咱们关注中国的原创性技术突破。一有好消息，就请他第一时间带回来跟咱们分享。

好了，这就是今天的《邵恒头条》。我是邵恒，我们明天见。

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