逐步走向现实！量子计算，未来不可限“量”

量子计算机，这一曾被视为科幻的技术奇迹，如今正逐步从理论走向现实，并在不断迭代中展现其颠覆性的计算潜力。

一个量子比特可以同时存储0和1两个数

中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”。孙超 摄

量子力学是20世纪以来最重要的科学进展之一。随着第一次量子科技革命的推进，量子信息科学迎来了新一轮的快速发展。进入21世纪，量子科技革命的第二次浪潮来临，催生了量子计算、量子通信、量子测量等一批新兴技术，极大地改变和提高了人类获取、传输和处理信息的方式和能力。

如果把量子科技比作一架“飞机”，那么量子计算就相当于飞机的“发动机”，量子通信就相当于飞机的“无线电”，量子测量就相当于飞机的“雷达”。量子计算是利用量子技术获取更强算力，量子通信是利用量子技术获得更安全通信，量子测量是利用量子技术获得更精准的测量。

量子计算的发展最早可以追溯到上世纪80年代，物理学家理查德·费曼首次提出量子模拟的概念，之后科学家通过一系列验证性实验论证了量子计算的可行性，指出可利用量子计算机求解(jiě)电(diàn)子(zi)计(jì)算(suàn)机（经典计算机）难以解决的问题。

在随后的几十年里，理论物理学家不断完善量子计算的理论基础，包括量子比特的引入、量子叠加态和量子纠缠等特性的揭示。1994年，彼得·肖尔提出的肖尔算法和洛夫·格罗弗的格罗弗量子搜索算法，更是进一步展示了量子计算机在解决特定问题上的高效性。

工作人员在量子芯片生产线操作。人民日报记者 徐靖 摄

相比于经典计算机，量子计算机具备一些独有的特性。首先，一个经典比特具有0和1两种可能的状态，在同一时间只能处于其中的某一个状态；而一个两能级量子比特可以处于0态和1态的叠加态，也就是说一个量子比特可以同时存储0和1两个数。其次，多个经典比特之间是独立的，而量子比特之间组成的是一个复合系统。这些特性共同导致量子计算机与经典计算机相比具有两个显著优势：一是量子计算机信息存储量随比特数的增多呈指数级增长，理论上当比特数足够大（例如比特数达到250个）时，量子计算机能够存储的数据量比宇宙中所有原子的数目还要多；二是量子计算(suàn)机(jī)是(shì)对(duì)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)构(gòu)成(chéng)的(de)整(zhěng)个(gè)复(fù)合(hé)系(xì)统(tǒng)进(jìn)行(xíng)操(cāo)作(zuò)，可(kě)以(yǐ)将(jiāng)其(qí)理(lǐ)解(jiě)为(wèi)一(yī)种(zhǒng)原(yuán)理(lǐ)上(shàng)的(de)“并(bìng)行(xíng)计(jì)算(suàn)”，这(zhè)是(shì)经(jīng)典(diǎn)计(jì)算(suàn)机(jī)无(wú)法(fǎ)实(shí)现(xiàn)的(de)。

从(cóng)概(gài)念(niàn)走(zǒu)向(xiàng)实(shí)践(jiàn)的(de)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)

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当(dāng)前(qián)，量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)新(xīn)技(jì)术(shù)研(yán)究(jiū)路径尚(shàng)未(wèi)收(shōu)敛(liǎn)，主要(yào)包(bāo)括(kuò)超(chāo)导(dǎo)、离(lí)子(zi)阱(jǐng)、光(guāng)量(liàng)子(zi)、量(liàng)子(zi)点(diǎn)、冷(lěng)原(yuán)(yuán)子(zi)(zi)等(děng)(děng)。从(cóng)(cóng)技(jì)(jì)术(shù)研(yán)发(fā)上(shàng)看(kàn)，超(chāo)导(dǎo)路线(xiàn)拥(yōng)有(yǒu)最(zuì)多(duō)的(de)技(jì)术(shù)追(zhuī)随(suí)者(zhě)。

基(jī)于(yú)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)位(wèi)的(de)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)是(shì)一(yī)种(zhǒng)最(zuì)早(zǎo)被(bèi)提(tí)出(chū)和(hé)研(yán)究(jiū)的(de)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)实(shí)现(xiàn)方(fāng)法(fǎ)，它(tā)基(jī)于(yú)超(chāo)导(dǎo)性(xìng)能(néng)的(de)材(cái)料(liào)，使(shǐ)用(yòng)电(diàn)荷(hé)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)、磁(cí)通(tōng)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)和(hé)相(xiāng)位(wèi)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)这(zhè)3种(zhǒng)方(fāng)式(shì)来(lái)形(xíng)成(chéng)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)。超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)在(zài)操(cāo)控(kòng)、耦(ǒu)合(hé)、测(cè)量(liàng)、扩(kuò)展(zhǎn)等(děng)方(fāng)面(miàn)具(jù)有(yǒu)显(xiǎn)著(zhe)优(yōu)势(shì)。过(guò)去(qù)几(jǐ)十(shí)年(nián)里(lǐ)，超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算有一定的发展，实现了与量子态所需精度相当的高精度控制、微波单光子状态的制备等主要技术。超导技术路线的缺点是易受环境噪声影响使得退相干时间变短，进而增加量子比特的操作难度。当前国际商业机器公司（IBM）开发的超导量子芯片比特数量已进入千位时代，在全球已部署了70余台量子计算机。拥有72个计算量子比特的中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”已完成137个国家用户的30万个量子计算任务。其他研究路径上(shàng)，各(gè)有(yǒu)所长，各自推进。

量子计算机的研发是一项复杂的任务。以超导量子计算机为例，量子计算机主要包含量子芯片、量子计算测控系统、低温制冷系统、量子计算机操作系统、应用软件等多个方面。

国产自主量子计算机核心部件——高密度微波互连模组。人民日报记者 徐靖 摄

量子芯片作为量子计算机的“心脏”，负(fù)责(zé)执(zhí)行(xíng)关键的运算加速过程，而这一过程需要将问题转化为量子算法，并通过特殊的调制脉冲信号输入量子芯片，最终采集并分析量子芯片输出的信号以获得问题的解答。然而，量子芯片的高效运行并非孤立存在，它还需要一个完善的硬件系统来支持，包括量子芯片封装技术、量子芯片测试平台以及量子测(cè)控(kòng)系(xì)统(tǒng)、相(xiāng)关元(yuán)器(qì)件(jiàn)等(děng)。其(qí)中，量子芯片测试平台由极低温稀释制冷机及配套设施构成，为量子芯片提供接近绝对零度的极低温环境、红外辐射噪声屏蔽、磁场噪声屏蔽和极低的机械振动等高度隔离的运行条件，同时还需要高效率的导热组件来及时(shí)带(dài)走(zǒu)量(liàng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)运(yùn)行(xíng)时(shí)产(chǎn)生(shēng)的(de)热(rè)量(liàng)。

量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)(suàn)测(cè)(cè)控(kòng)(kòng)系(xì)(xì)统(tǒng)负(fù)责(zé)量(liàng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)所(suǒ)需(xū)信(xìn)号(hào)的(de)生(shēng)成(chéng)、采集、控制与处理，是实现量子芯片编程的关键工具。它如同一名精通量子语言的“翻译官”，将人类世界的复杂问题转化为量子芯片能够理解的“语言”，并引导量子芯片进行高效的计算。

在软件技术方面，量子计算机同样需要一套完整的软件系统来支持其运行，包括量子计算机操作系统、量子语言编译器(qì)、量(liàng)子(zi)应(yīng)用(yòng)软(ruǎn)件(jiàn)以(yǐ)及(jí)量(liàng)子(zi)计算机集成开发环境等。这些软(ruǎn)件(jiàn)系(xì)统(tǒng)不(bù)仅(jǐn)为用户提供量子程序的编程和操作界面，还需要对接(jiē)硬(yìng)件(jiàn)，将(jiāng)程(chéng)序(xù)转(zhuǎn)换(huàn)为硬件所需的指令信号，确保量子计算机能够高效、准确地执行各种计算任务。

全球主要国家加快布局量子计算

“本源悟空”机群。孙超 摄

从全球布局来看，美国和欧洲是量子产业生态的活跃地区，欧美国家的量子企业聚集度较高，全球占比超过60%。国际商业机器公司（IBM）作为全球量子计算领跑者，于2023年12月发布1121比特量子处理器Condor，并推出首款模块化量子计算机IBM Quantum System Two。近期，美国谷歌公司开发的一款量子芯片Willow，首次实现了“低于阈值”的量子计算——即在扩展量子比特数量时，能够降低误差率，这是量子计算领域一个重要里程碑。加拿大、日本、中国的量子计算团队也在迅速向几百、上千比特迭代。本源量子于2024年1月上线“本源悟空”超导量子计算机，搭载由72个计算比特和126个耦合比特构成的量子芯片。

量子计算与超级计算、智能计算的融合发展正成为现实。全球主要国家正在加快布局建立量子经典协同计算平台。2023年，国际商业机器公司（IBM）在加拿大、西班牙的超算中心部署127比特量子计算机。欧盟将6台高性能量子计算机集成到捷克、法国、德国、意大利、波兰和西班牙的各个超算中心，组成欧洲的量子计算网络。日本理化学研究所（RIKEN）在日本产的64比特超导量子计算机和超级计算机“富岳”之间建立通信链路。2024年，“本源悟空”成功(gōng)接(jiē)入(rù)上(shàng)海(hǎi)超(chāo)算(suàn)中(zhōng)心(xīn)、国(guó)家(jiā)超(chāo)算(suàn)郑(zhèng)州(zhōu)中(zhōng)心(xīn)、长(zhǎng)三(sān)角(jiǎo)枢(shū)纽(niǔ)芜(wú)湖(hú)集群(qún)，软(ruǎn)件(jiàn)层(céng)面(miàn)实(shí)现(xiàn)不(bù)同(tóng)算(suàn)力(lì)的(de)弱(ruò)耦(ǒu)合(hé)。合(hé)肥(féi)先(xiān)算(suàn)中(zhōng)心(xīn)率(lǜ)先(xiān)在(zài)国(guó)内(nèi)启(qǐ)动(dòng)超(chāo)量(liàng)融(róng)合(hé)中(zhōng)心(xīn)建(jiàn)设(shè)，即(jí)将(jiāng)试(shì)点(diǎn)部(bù)署(shǔ)真(zhēn)实(shí)量子计算机。

各国积极发展应用生态，“量子实用”随时可能爆发。全球有超过100个企业案例活跃在能源、医疗保健、金融、汽车、航(háng)空(kōng)航天、物流等行业。国际商业机器公司（IBM）的研究证明，利用量子经典协同工作，100+比特量子计算机可以探索化学、材料领域的实用级问题，并与化工、汽车、能源、航空等领域的(de)众多合作者迅速推进应用，行业内预测量子计算产生商业价值的时间大大提前。

实用化量子计算机发展可分为3个阶段。第一阶段，实现量子计算优越性的实验室阶段。当前的超级计算机已经无法顺利求解某(mǒu)些(xiē)特(tè)定(dìng)的(de)海(hǎi)量(liàng)数(shù)据(jù)、高(gāo)复(fù)杂(zá)度(dù)问(wèn)题(tí)，若(ruò)研(yán)制(zhì)出(chū)50到(dào)100个(gè)逻(luó)辑(ji)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)高(gāo)精(jīng)度(dù)专(zhuān)用(yòng)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)，就(jiù)可(kě)在(zài)此类问题上充分展示其“量子优越性”，实现高效率求解。第二阶段，寻求在某些特定领域实用价值的展现。这一阶段意味着量子计算机已经开始走出实验室开启应用探索，尽管量子逻辑比特数只有100左右，但其运算能力已经超过任何超级计算机，量子计算机正进入早期工业阶段。第三阶段，研制可编程的通用量子计算机。可编程的量子计算机在多场景下应用，量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)操(cāo)纵(zòng)精(jīng)度(dù)、集成(chéng)数(shù)量(liàng)和(hé)容(róng)错(cuò)能(néng)力(lì)都(dōu)将(jiāng)大(dà)幅(fú)提(tí)升(shēng)。

现(xiàn)阶(jiē)段(duàn)发(fā)展(zhǎn)最(zuì)快(kuài)的超导量子计算机正处于第二阶段，已经在金融、材料科学、药物设计等领域展现广泛的应用前景。超导量子计算机“本源悟空”已在特定领域上线多款量子计(jì)算(suàn)真(zhēn)机(jī)应(yīng)用(yòng)，包(bāo)括(kuò)金(jīn)融(róng)领(lǐng)域投(tóu)资(zī)组(zǔ)合(hé)优(yōu)化(huà)应(yīng)用(yòng)、生(shēng)物(wù)医(yī)药(yào)领(lǐng)域分(fēn)子(zi)对(duì)接(jiē)应(yīng)用(yòng)等(děng)。

量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)当(dāng)前(qián)正(zhèng)处(chù)于(yú)“含(hán)噪(zào)声(shēng)的(de)中(zhōng)等(děng)规(guī)模量子”阶段，如何在较高“噪声”环境下运行，成为量子计算机所面临的难题。能够适应通用场景下的容错量子计算机尚未研制成功。

未来5年，全球将进入“量—超—智”三算融合时代。量子计算、超级计算和智能计算协同完成运算任务就是“量—超—智”融合。如果把普通计算机比喻成“自行车”，那么带有人工智能的智能算力就是一列“高铁”，而量子计算机就像是一架“飞机”，三者协同将是未来算力的终极形态。

（作者为中国科学院院士、中国科学技术大学教授，人民日报记者徐靖整理）