问题——随着基础科学研究不断向更小尺度、更高能区和更复杂系统推进,如何获得能够支撑重大理论验证与数值模拟的计算能力,成为长期制约学科突破的关键;以强相互作用的量子色动力学为例,格点量子色动力学需要离散时空网格上进行大规模数值计算,既考验算法,也高度依赖硬件。传统通用计算设备面对指数级增长的需求时,往往难以同时兼顾速度、能耗与规模扩展。 原因——算力瓶颈推动科研范式调整。上世纪八十年代,计算资源总体有限,理论物理与计算技术的深度融合尚未成为普遍共识。李政道曾在美国推动团队针对物理问题研制专用计算设备,用以支持格点量子色动力学等研究。当时每秒数十亿次运算的能力放在今天并不突出,但在当年为物理学界提供了可用的数值实验平台。其关键思路是:围绕科学问题定制计算架构,以工程能力反哺基础研究。他提出“计算机将改变物理学研究方式”的判断,实质上指向“计算成为科学发现的第三种方法”的趋势,即与理论推导、实验验证并列的计算科学路径。 影响——进入新一轮科技革命和产业变革阶段,我国加快布局量子信息科学,量子计算在特定任务上的加速能力受到关注。以光量子计算原型机“九章”为代表的多项成果,在高斯玻色取样等问题上展示出对传统计算路径的明显加速;据公开研究估算,若以当代顶级超级计算机完成同类取样任务,可能需要“数亿年”量级,而量子原型机可在数百秒左右完成。这并不意味着量子计算已能够全面替代通用计算,但清楚表明:当硬件形态、计算模型与任务结构高度匹配时,计算能力可能出现跨代跃升。另外,算力提升也在改变基础研究的组织方式——从数据获取、数值模拟到模型迭代、参数反演,越来越多学科围绕计算平台组建跨学科团队,推动“物理—数学—工程—信息”的深度耦合。 对策——专家认为,要把阶段性优势转化为可持续竞争力,需要在三上形成合力:一是坚持问题牵引,围绕化学模拟、材料设计、组合优化、量子多体系统等方向开展可验证、可对标、可迁移的应用探索,避免停留单纯的指标竞赛;二是强化软硬协同,在量子器件、纠错与容错、控制系统、编译与算法、应用软件栈等环节加快贯通,推动实验室成果向可用平台演进;三是完善人才与生态,以长期稳定支持鼓励跨界培养与自由探索。,李政道当年推动的人才培养与学术交流机制,为一代科研人员拓展了国际视野,也为国内涉及的方向的学科建设打下基础。当前我国多地高校、科研院所与企业加快量子信息学科与平台建设,正在形成“基础研究—关键技术—示范应用”相互促进的态势。 前景——面向未来,量子计算仍处在从原型验证走向工程化、规模化的关键阶段,距离通用容错量子计算仍有不少基础与工程难题需要攻克。但从更长周期看,算力的持续跃升将改变科学问题的提出方式与解决路径:一上,更多理论将借助计算更大参数空间内接受检验;另一上,计算结果的可解释性、可验证性与跨平台复现将逐步成为科研常态。业内普遍认为,决定下一轮科学发现优势的,不仅是“更强算力”,也包括“更好方法”。
当“九章”的光量子线路在实验室中点亮,它呈现的不只是微观世界的运行规律,也映照出一代代科学家持续探索的脉络。从李政道在普林斯顿的演算纸稿,到今天量子比特在超导环中的跃迁,中国基础科研正经历从工具创新走向研究范式重塑的过程。攀登没有终点,唯有保持对自然奥秘的敬畏与好奇,才能在探索中不断拓展人类认知的边界。