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(lái)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(lái)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(lái)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(lèi)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(wú)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(shuō)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(wú)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(lái)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(guò)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(kāi)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(hù)的30萬(wàn)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(guò)程，而這一過(guò)程需要將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為量子算法,，并通過(guò)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(wèn)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(lái)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(lái)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(yǔ)言的“翻譯官”,，將人類(lèi)世界的復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為量子芯片能夠理解的“語(yǔ)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(lái)支持其運(yùn)行，包括量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),、量子語(yǔ)言編譯器,、量子應(yīng)用軟件以及量子計(jì)算機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等。這些軟件系統(tǒng)不僅為用戶(hù)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(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)100個(gè)企業(yè)案例活躍在能源、醫(yī)療保健、金融,、汽車(chē)、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(wèn)題，并與化工,、汽車(chē),、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(wú)法順利求解某些特定的海量數(shù)據(jù)、高復(fù)雜度問(wèn)題,，若研制出50到100個(gè)邏輯量子比特的高精度專(zhuān)用量子計(jì)算機(jī),，就可在此類(lèi)問(wèn)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(kāi)始走出實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(guò)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)?？删幊痰牧孔佑?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(lái)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(chē)”,，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(lái)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，徐靖整理）

來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)

作者：郭光燦

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