郭光燦：量子計算，未來不可限“量”

量子計算機，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，并在不斷迭代中展現(xiàn)其顛覆性的計算潛力。

一個量子比特可以同時存儲0和1兩個數(shù)

量子力學是20世紀以來最重要的科學進展之一。隨著第一次量子科技革命的推進，量子信息科學迎來了新一輪的快速發(fā)展。進入21世紀，量子科技革命的第二次浪潮來臨，催生了量子計算、量子通信、量子測量等一批新興技術(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”，那么量子計算就相當于飛機的“發(fā)動機”，量子通信就相當于飛機的“無線電”，量子測量就相當于飛機的“雷達”。量子計算是利用量子技術(shù)獲取更強算力，量子通信是利用量子技術(shù)獲得更安全通信，量子測量是利用量子技術(shù)獲得更精準的測量。

量子計算的發(fā)展最早可以追溯到上世紀80年代，物理學家理查德·費曼首次提出量子模擬的概念，之后科學家通過一系列驗證性實驗論證了量子計算的可行性，指出可利用量子計算機求解電子計算機（經(jīng)典計算機）難以解決的問題。

在隨后的幾十年里，理論物理學家不斷完善量子計算的理論基礎(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，更是進一步展示了量子計算機在解決特定問題上的高效性。

相比于經(jīng)典計算機，量子計算機具備一些獨有的特性。首先，一個經(jīng)典比特具有0和1兩種可能的狀態(tài)，在同一時間只能處于其中的某一個狀態(tài)；而一個兩能級量子比特可以處于0態(tài)和1態(tài)的疊加態(tài)，也就是說一個量子比特可以同時存儲0和1兩個數(shù)。其次，多個經(jīng)典比特之間是獨立的，而量子比特之間組成的是一個復合系統(tǒng)。這些特性共同導致量子計算機與經(jīng)典計算機相比具有兩個顯著優(yōu)勢：一是量子計算機信息存儲量隨比特數(shù)的增多呈指數(shù)級增長，理論上當比特數(shù)足夠大（例如比特數(shù)達到250個）時，量子計算機能夠存儲的數(shù)據(jù)量比宇宙中所有原子的數(shù)目還要多；二是量子計算機是對量子比特構(gòu)成的整個復合系統(tǒng)進行操作，可以將其理解為一種原理上的“并行計算”，這是經(jīng)典計算機無法實現(xiàn)的。

從概念走向?qū)嵺`的量子計算機

當前，量子計算新技術(shù)研究路徑尚未收斂，主要包括超導、離子阱、光量子、量子點、冷原子等。從技術(shù)研發(fā)上看，超導路線擁有最多的技術(shù)追隨者。

基于超導量子位的量子計算是一種最早被提出和研究的量子計算實現(xiàn)方法，它基于超導性能的材料，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。超導量子比特在操控、耦合、測量、擴展等方面具有顯著優(yōu)勢。過去幾十年里，超導量子計算有一定的發(fā)展，實現(xiàn)了與量子態(tài)所需精度相當?shù)母呔�度控制、微波�?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=光子',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_4">光子狀態(tài)的制備等主要技術(shù)。超導技術(shù)路線的缺點是易受環(huán)境噪聲影響使得退相干時間變短，進而增加量子比特的操作難度。當前國際商業(yè)機器公司（IBM）開發(fā)的超導量子芯片比特數(shù)量已進入千位時代，在全球已部署了70余臺量子計算機。擁有72個計算量子比特的中國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”已完成137個國家用戶的30萬個量子計算任務。其他研究路徑上，各有所長，各自推進。

量子計算機的研發(fā)是一項復雜的任務。以超導量子計算機為例，量子計算機主要包含量子芯片、量子計算測控系統(tǒng)、低溫制冷系統(tǒng)、量子計算機操作系統(tǒng)、應用軟件等多個方面。

量子芯片作為量子計算機的“心臟”，負責執(zhí)行關(guān)鍵的運算加速過程，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)制脈沖信號輸入量子芯片，最終采集并分析量子芯片輸出的信號以獲得問題的解答。然而，量子芯片的高效運行并非孤立存在，它還需要一個完善的硬件系統(tǒng)來支持，包括量子芯片封裝技術(shù)、量子芯片測試平臺以及量子測控系統(tǒng)、相關(guān)元器件等。其中，量子芯片測試平臺由極低溫稀釋制冷機及配套設施構(gòu)成，為量子芯片提供接近絕對零度的極低溫環(huán)境、紅外輻射噪聲屏蔽、磁場噪聲屏蔽和極低的機械振動等高度隔離的運行條件，同時還需要高效率的導熱組件來及時帶走量子芯片運行時產(chǎn)生的熱量。

量子計算測控系統(tǒng)負責量子芯片所需信號的生成、采集、控制與處理，是實現(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”，將人類世界的復雜問題轉(zhuǎn)化為量子芯片能夠理解的“語言”，并引導量子芯片進行高效的計算。

在軟件技術(shù)方面，量子計算機同樣需要一套完整的軟件系統(tǒng)來支持其運行，包括量子計算機操作系統(tǒng)、量子語言編譯器、量子應用軟件以及量子計算機集成開發(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，還需要對接硬件，將程序轉(zhuǎn)換為硬件所需的指令信號，確保量子計算機能夠高效、準確地執(zhí)行各種計算任務。

全球主要國家加快布局量子計算

從全球布局來看，美國和歐洲是量子產(chǎn)業(yè)生態(tài)的活躍地區(qū)，歐美國家的量子企業(yè)聚集度較高，全球占比超過60%。國際商業(yè)機器公司（IBM）作為全球量子計算領(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算機IBMQuantumSystemTwo。近期，美國谷歌公司開發(fā)的一款量子芯片Willow，首次實現(xiàn)了“低于閾值”的量子計算——即在擴展量子比特數(shù)量時，能夠降低誤差率，這是量子計算領(lǐng)域一個重要里程碑。加拿大、日本、中國的量子計算團隊也在迅速向幾百、上千比特迭代。本源量子于2024年1月上線“本源悟空”超導量子計算機，搭載由72個計算比特和126個耦合比特構(gòu)成的量子芯片。

量子計算與超級計算、智能計算的融合發(fā)展正成為現(xiàn)實。全球主要國家正在加快布局建立量子經(jīng)典協(xié)同計算平臺。2023年，國際商業(yè)機器公司（IBM）在加拿大、西班牙的超算中心部署127比特量子計算機。歐盟將6臺高性能量子計算機集成到捷克、法國、德國、意大利、波蘭和西班牙的各個超算中心，組成歐洲的量子計算網(wǎng)絡。日本理化學研究所（RIKEN）在日本產(chǎn)的64比特超導量子計算機和超級計算機“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、國家超算鄭州中心、長三角樞紐蕪湖集群，軟件層面實現(xiàn)不同算力的弱耦合。合肥先算中心率先在國內(nèi)啟動超量融合中心建設，即將試點部署真實量子計算機。

各國積極發(fā)展應用生態(tài)，“量子實用”隨時可能爆發(fā)。全球有超過100個企業(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)。國際商業(yè)機器公司（IBM）的研究證明，利用量子經(jīng)典協(xié)同工作，100+比特量子計算機可以探索化學、材料領(lǐng)域的實用級問題，并與化工、汽車、能源、航空等領(lǐng)域的眾多合作者迅速推進應用，行業(yè)內(nèi)預測量子計算產(chǎn)生商業(yè)價值的時間大大提前。

實用化量子計算機發(fā)展可分為3個階段。第一階段，實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的實驗室階段。當前的超級計算機已經(jīng)無法順利求解某些特定的海量數(shù)據(jù)、高復雜度問題，若研制出50到100個邏輯量子比特的高精度專用量子計算機，就可在此類問題上充分展示其“量子優(yōu)越性”，實現(xiàn)高效率求解。第二階段，尋求在某些特定領(lǐng)域?qū)嵱脙r值的展現(xiàn)。這一階段意味著量子計算機已經(jīng)開始走出實驗室開啟應用探索，盡管量子邏輯比特數(shù)只有100左右，但其運算能力已經(jīng)超過任何超級計算機，量子計算機正進入早期工業(yè)階段。第三階段，研制可編程的通用量子計算機。可編程的量子計算機在多場景下應用，量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯能力都將大幅提升。

現(xiàn)階段發(fā)展最快的超導量子計算機正處于第二階段，已經(jīng)在金融、材料科學、藥物設計等領(lǐng)域展現(xiàn)廣泛的應用前景。超導量子計算機“本源悟空”已在特定領(lǐng)域上線多款量子計算真機應用，包括金融領(lǐng)域投資組合優(yōu)化應用、生物醫(yī)藥領(lǐng)域分子對接應用等。

量子計算當前正處于“含噪聲的中等規(guī)模量子”階段，如何在較高“噪聲”環(huán)境下運行，成為量子計算機所面臨的難題。能夠適應通用場景下的容錯量子計算機尚未研制成功。

未來5年，全球?qū)⑦M入“量—超—智”三算融合時代。量子計算、超級計算和智能計算協(xié)同完成運算任務就是“量—超—智”融合。如果把普通計算機比喻成“自行車”，那么帶有人工智能的智能算力就是一列“高鐵”，而量子計算機就像是一架“飛機”，三者協(xié)同將是未來算力的終極形態(tài)。（來源：人民日報）