孫 超攝
圖②：量子芯片封裝盒。
本報(bào)記者 徐 靖攝
圖③：科研人員在量子芯片生產(chǎn)線操作。
本報(bào)記者 徐 靖攝
圖④：“本源悟空”機(jī)群。
孫 超攝
圖⑤：量子計(jì)算機(jī)部件“高密度微波互連模組”。
孫 超攝
"> 圖①：超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”。
孫 超攝
圖②：量子芯片封裝盒。
本報(bào)記者 徐 靖攝
圖③：科研人員在量子芯片生產(chǎn)線操作。
本報(bào)記者 徐 靖攝
圖④：“本源悟空”機(jī)群。
孫 超攝
圖⑤：量子計(jì)算機(jī)部件“高密度微波互連模組”。
孫 超攝
量子計(jì)算機(jī)，這一曾被視為科幻的技術(shù)奇跡，如今正逐步從理論走向現(xiàn)實(shí)，并在不斷迭代中展現(xiàn)其顛覆性的計(jì)算潛力。
一個(gè)量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1兩個(gè)數(shù)
量子力學(xué)是20世紀(jì)以來最重要的科學(xué)進(jìn)展之一。隨著第一次量子科技革命的推進(jìn)，量子信息科學(xué)迎來了新一輪的快速發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，量子科技革命的第二次浪潮來臨，催生了量子計(jì)算、量子通信、量子測(cè)量等一批新興技術(shù)，極大地改變和提高了人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。
如果把量子科技比作一架“飛機(jī)”，那么量子計(jì)算就相當(dāng)于飛機(jī)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，量子通信就相當(dāng)于飛機(jī)的“無線電”，量子測(cè)量就相當(dāng)于飛機(jī)的“雷達(dá)”。量子計(jì)算是利用量子技術(shù)獲取更強(qiáng)算力，量子通信是利用量子技術(shù)獲得更安全通信，量子測(cè)量是利用量子技術(shù)獲得更精準(zhǔn)的測(cè)量。
量子計(jì)算的發(fā)展最早可以追溯到上世紀(jì)80年代，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼首次提出量子模擬的概念，之后科學(xué)家通過一系列驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)論證了量子計(jì)算的可行性，指出可利用量子計(jì)算機(jī)求解電子計(jì)算機(jī)（經(jīng)典計(jì)算機(jī)）難以解決的問題。
在隨后的幾十年里，理論物理學(xué)家不斷完善量子計(jì)算的理論基礎(chǔ)，包括量子比特的引入、量子疊加態(tài)和量子糾纏等特性的揭示。1994年，彼得·肖爾提出的肖爾算法和洛夫·格羅弗的格羅弗量子搜索算法，更是進(jìn)一步展示了量子計(jì)算機(jī)在解決特定問題上的高效性。
相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)具備一些獨(dú)有的特性。首先，一個(gè)經(jīng)典比特具有0和1兩種可能的狀態(tài)，在同一時(shí)間只能處于其中的某一個(gè)狀態(tài)；而一個(gè)兩能級(jí)量子比特可以處于0態(tài)和1態(tài)的疊加態(tài)，也就是說一個(gè)量子比特可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1兩個(gè)數(shù)。其次，多個(gè)經(jīng)典比特之間是獨(dú)立的，而量子比特之間組成的是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)。這些特性共同導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比具有兩個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：一是量子計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)量隨比特?cái)?shù)的增多呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，理論上當(dāng)比特?cái)?shù)足夠大（例如比特?cái)?shù)達(dá)到250個(gè)）時(shí)，量子計(jì)算機(jī)能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量比宇宙中所有原子的數(shù)目還要多；二是量子計(jì)算機(jī)是對(duì)量子比特構(gòu)成的整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行操作，可以將其理解為一種原理上的“并行計(jì)算”，這是經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的。
從概念走向?qū)嵺`的量子計(jì)算機(jī)
當(dāng)前，量子計(jì)算新技術(shù)研究路徑尚未收斂，主要包括超導(dǎo)、離子阱、光量子、量子點(diǎn)、冷原子等。從技術(shù)研發(fā)上看，超導(dǎo)路線擁有最多的技術(shù)追隨者。
基于超導(dǎo)量子位的量子計(jì)算是一種最早被提出和研究的量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法，它基于超導(dǎo)性能的材料，使用電荷量子比特、磁通量子比特和相位量子比特這3種方式來形成量子比特。超導(dǎo)量子比特在操控、耦合、測(cè)量、擴(kuò)展等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。過去幾十年里，超導(dǎo)量子計(jì)算有一定的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了與量子態(tài)所需精度相當(dāng)?shù)母呔瓤刂啤⑽⒉▎喂庾訝顟B(tài)的制備等主要技術(shù)。超導(dǎo)技術(shù)路線的缺點(diǎn)是易受環(huán)境噪聲影響使得退相干時(shí)間變短，進(jìn)而增加量子比特的操作難度。當(dāng)前國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）開發(fā)的超導(dǎo)量子芯片比特?cái)?shù)量已進(jìn)入千位時(shí)代，在全球已部署了70余臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。擁有72個(gè)計(jì)算量子比特的中國(guó)第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”已完成137個(gè)國(guó)家用戶的30萬個(gè)量子計(jì)算任務(wù)。其他研究路徑上，各有所長(zhǎng)，各自推進(jìn)。
量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。以超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)為例，量子計(jì)算機(jī)主要包含量子芯片、量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)、低溫制冷系統(tǒng)、量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等多個(gè)方面。
量子芯片作為量子計(jì)算機(jī)的“心臟”，負(fù)責(zé)執(zhí)行關(guān)鍵的運(yùn)算加速過程，而這一過程需要將問題轉(zhuǎn)化為量子算法，并通過特殊的調(diào)制脈沖信號(hào)輸入量子芯片，最終采集并分析量子芯片輸出的信號(hào)以獲得問題的解答。然而，量子芯片的高效運(yùn)行并非孤立存在，它還需要一個(gè)完善的硬件系統(tǒng)來支持，包括量子芯片封裝技術(shù)、量子芯片測(cè)試平臺(tái)以及量子測(cè)控系統(tǒng)、相關(guān)元器件等。其中，量子芯片測(cè)試平臺(tái)由極低溫稀釋制冷機(jī)及配套設(shè)施構(gòu)成，為量子芯片提供接近絕對(duì)零度的極低溫環(huán)境、紅外輻射噪聲屏蔽、磁場(chǎng)噪聲屏蔽和極低的機(jī)械振動(dòng)等高度隔離的運(yùn)行條件，同時(shí)還需要高效率的導(dǎo)熱組件來及時(shí)帶走量子芯片運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量。
量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)量子芯片所需信號(hào)的生成、采集、控制與處理，是實(shí)現(xiàn)量子芯片編程的關(guān)鍵工具。它如同一名精通量子語言的“翻譯官”，將人類世界的復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為量子芯片能夠理解的“語言”，并引導(dǎo)量子芯片進(jìn)行高效的計(jì)算。
在軟件技術(shù)方面，量子計(jì)算機(jī)同樣需要一套完整的軟件系統(tǒng)來支持其運(yùn)行，包括量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、量子語言編譯器、量子應(yīng)用軟件以及量子計(jì)算機(jī)集成開發(fā)環(huán)境等。這些軟件系統(tǒng)不僅為用戶提供量子程序的編程和操作界面，還需要對(duì)接硬件，將程序轉(zhuǎn)換為硬件所需的指令信號(hào)，確保量子計(jì)算機(jī)能夠高效、準(zhǔn)確地執(zhí)行各種計(jì)算任務(wù)。
全球主要國(guó)家加快布局量子計(jì)算
從全球布局來看，美國(guó)和歐洲是量子產(chǎn)業(yè)生態(tài)的活躍地區(qū)，歐美國(guó)家的量子企業(yè)聚集度較高，全球占比超過60%。國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）作為全球量子計(jì)算領(lǐng)跑者，于2023年12月發(fā)布1121比特量子處理器Condor，并推出首款模塊化量子計(jì)算機(jī)IBM Quantum System Two。近期，美國(guó)谷歌公司開發(fā)的一款量子芯片Willow，首次實(shí)現(xiàn)了“低于閾值”的量子計(jì)算——即在擴(kuò)展量子比特?cái)?shù)量時(shí)，能夠降低誤差率，這是量子計(jì)算領(lǐng)域一個(gè)重要里程碑。加拿大、日本、中國(guó)的量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)也在迅速向幾百、上千比特迭代。本源量子于2024年1月上線“本源悟空”超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，搭載由72個(gè)計(jì)算比特和126個(gè)耦合比特構(gòu)成的量子芯片。
量子計(jì)算與超級(jí)計(jì)算、智能計(jì)算的融合發(fā)展正成為現(xiàn)實(shí)。全球主要國(guó)家正在加快布局建立量子經(jīng)典協(xié)同計(jì)算平臺(tái)。2023年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）在加拿大、西班牙的超算中心部署127比特量子計(jì)算機(jī)。歐盟將6臺(tái)高性能量子計(jì)算機(jī)集成到捷克、法國(guó)、德國(guó)、意大利、波蘭和西班牙的各個(gè)超算中心，組成歐洲的量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。日本理化學(xué)研究所（RIKEN）在日本產(chǎn)的64比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”之間建立通信鏈路。2024年，“本源悟空”成功接入上海超算中心、國(guó)家超算鄭州中心、長(zhǎng)三角樞紐蕪湖集群，軟件層面實(shí)現(xiàn)不同算力的弱耦合。合肥先算中心率先在國(guó)內(nèi)啟動(dòng)超量融合中心建設(shè)，即將試點(diǎn)部署真實(shí)量子計(jì)算機(jī)。
各國(guó)積極發(fā)展應(yīng)用生態(tài)，“量子實(shí)用”隨時(shí)可能爆發(fā)。全球有超過100個(gè)企業(yè)案例活躍在能源、醫(yī)療保健、金融、汽車、航空航天、物流等行業(yè)。國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）的研究證明，利用量子經(jīng)典協(xié)同工作，100+比特量子計(jì)算機(jī)可以探索化學(xué)、材料領(lǐng)域的實(shí)用級(jí)問題，并與化工、汽車、能源、航空等領(lǐng)域的眾多合作者迅速推進(jìn)應(yīng)用，行業(yè)內(nèi)預(yù)測(cè)量子計(jì)算產(chǎn)生商業(yè)價(jià)值的時(shí)間大大提前。
實(shí)用化量子計(jì)算機(jī)發(fā)展可分為3個(gè)階段。第一階段，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的實(shí)驗(yàn)室階段。當(dāng)前的超級(jí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)無法順利求解某些特定的海量數(shù)據(jù)、高復(fù)雜度問題，若研制出50到100個(gè)邏輯量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，就可在此類問題上充分展示其“量子優(yōu)越性”，實(shí)現(xiàn)高效率求解。第二階段，尋求在某些特定領(lǐng)域?qū)嵱脙r(jià)值的展現(xiàn)。這一階段意味著量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)開始走出實(shí)驗(yàn)室開啟應(yīng)用探索，盡管量子邏輯比特?cái)?shù)只有100左右，但其運(yùn)算能力已經(jīng)超過任何超級(jí)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)正進(jìn)入早期工業(yè)階段。第三階段，研制可編程的通用量子計(jì)算機(jī)。可編程的量子計(jì)算機(jī)在多場(chǎng)景下應(yīng)用，量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯(cuò)能力都將大幅提升。
現(xiàn)階段發(fā)展最快的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)正處于第二階段，已經(jīng)在金融、材料科學(xué)、藥物設(shè)計(jì)等領(lǐng)域展現(xiàn)廣泛的應(yīng)用前景。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”已在特定領(lǐng)域上線多款量子計(jì)算真機(jī)應(yīng)用，包括金融領(lǐng)域投資組合優(yōu)化應(yīng)用、生物醫(yī)藥領(lǐng)域分子對(duì)接應(yīng)用等。
量子計(jì)算當(dāng)前正處于“含噪聲的中等規(guī)模量子”階段，如何在較高“噪聲”環(huán)境下運(yùn)行，成為量子計(jì)算機(jī)所面臨的難題。能夠適應(yīng)通用場(chǎng)景下的容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)尚未研制成功。
未來5年，全球?qū)⑦M(jìn)入“量—超—智”三算融合時(shí)代。量子計(jì)算、超級(jí)計(jì)算和智能計(jì)算協(xié)同完成運(yùn)算任務(wù)就是“量—超—智”融合。如果把普通計(jì)算機(jī)比喻成“自行車”，那么帶有人工智能的智能算力就是一列“高鐵”，而量子計(jì)算機(jī)就像是一架“飛機(jī)”，三者協(xié)同將是未來算力的終極形態(tài)。
（作者為中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，本報(bào)記者徐靖整理）
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2025年01月11日 06 版）