量子計算，未來不可限“量”（瞰前沿）

圖①：超導量子計算機“本源悟空”。

孫 超攝

圖②：量子芯片封裝盒。

本報記者 徐 靖攝

圖③：科研人員在量子芯片生產線操作。

本報記者 徐 靖攝

圖④：“本源悟空”機羣。

孫 超攝

圖⑤：量子計算機部件“高密度微波互連模組”。

孫 超攝

量子計算機，這一曾被視為科幻的技術奇蹟，如今正逐步從理論走向現實，並在不斷迭代中展現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

量子力學是20世紀以來最重要的科學進展之一。隨着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，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”，那麼量子計算就相當於飛機的“發動機”，量子通信就相當於飛機的“無線電”，量子測量就相當於飛機的“雷達”。量子計算是利用量子技術獲取更強算力，量子通信是利用量子技術獲得更安全通信，量子測量是利用量子技術獲得更精準的測量。

量子計算的發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，之後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（經典計算機）難以解決的問題。

在隨後的幾十年裏，理論物理學家不斷完善量子計算的理論基礎，包括量子比特的引入、量子疊加態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。

相比於經典計算機，量子計算機具備一些獨有的特性。首先，一個經典比特具有0和1兩種可能的狀態，在同一時間只能處於其中的某一個狀態；而一個兩能級量子比特可以處於0態和1態的疊加態，也就是説一個量子比特可以同時存儲0和1兩個數。其次，多個經典比特之間是獨立的，而量子比特之間組成的是一個複合系統。這些特性共同導致量子計算機與經典計算機相比具有兩個顯著優勢：一是量子計算機信息存儲量隨比特數的增多呈指數級增長，理論上當比特數足夠大（例如比特數達到250個）時，量子計算機能夠存儲的數據量比宇宙中所有原子的數目還要多；二是量子計算機是對量子比特構成的整個複合系統進行操作，可以將其理解為一種原理上的“並行計算”，這是經典計算機無法實現的。

從概念走向實踐的量子計算機

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

基於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方法，它基於超導性能的材料，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勢。過去幾十年裏，超導量子計算有一定的發展，實現了與量子態所需精度相當的高精度控制、微波單光子狀態的製備等主要技術。超導技術路線的缺點是易受環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。當前國際商業機器公司（IBM）開發的超導量子芯片比特數量已進入千位時代，在全球已部署了70餘台量子計算機。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個國家用户的30萬個量子計算任務。其他研究路徑上，各有所長，各自推進。

量子計算機的研發是一項複雜的任務。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、低温製冷系統、量子計算機操作系統、應用軟件等多個方面。

量子芯片作為量子計算機的“心臟”，負責執行關鍵的運算加速過程，而這一過程需要將問題轉化為量子算法，並通過特殊的調製脈衝信號輸入量子芯片，最終採集並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並非孤立存在，它還需要一個完善的硬件系統來支持，包括量子芯片封裝技術、量子芯片測試平台以及量子測控系統、相關元器件等。其中，量子芯片測試平台由極低温稀釋製冷機及配套設施構成，為量子芯片提供接近絕對零度的極低温環境、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生的熱量。

量子計算測控系統負責量子芯片所需信號的生成、採集、控制與處理，是實現量子芯片編程的關鍵工具。它如同一名精通量子語言的“翻譯官”，將人類世界的複雜問題轉化為量子芯片能夠理解的“語言”，並引導量子芯片進行高效的計算。

在軟件技術方面，量子計算機同樣需要一套完整的軟件系統來支持其運行，包括量子計算機操作系統、量子語言編譯器、量子應用軟件以及量子計算機集成開發環境等。這些軟件系統不僅為用户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、準確地執行各種計算任務。

全球主要國家加快佈局量子計算

從全球佈局來看，美國和歐洲是量子產業生態的活躍地區，歐美國家的量子企業聚集度較高，全球佔比超過60%。國際商業機器公司（IBM）作為全球量子計算領跑者，於2023年12月發佈1121比特量子處理器Condor，並推出首款模塊化量子計算機IBM Quantum System Two。近期，美國谷歌公司開發的一款量子芯片Willow，首次實現了“低於閾值”的量子計算——即在擴展量子比特數量時，能夠降低誤差率，這是量子計算領域一個重要里程碑。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。本源量子於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個耦合比特構成的量子芯片。

量子計算與超級計算、智能計算的融合發展正成為現實。全球主要國家正在加快佈局建立量子經典協同計算平台。2023年，國際商業機器公司（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台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絡。日本理化學研究所（RIKEN）在日本產的64比特超導量子計算機和超級計算機“富嶽”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、長三角樞紐蕪湖集羣，軟件層面實現不同算力的弱耦合。合肥先算中心率先在國內啓動超量融合中心建設，即將試點部署真實量子計算機。

各國積極發展應用生態，“量子實用”隨時可能爆發。全球有超過100個企業案例活躍在能源、醫療保健、金融、汽車、航空航天、物流等行業。國際商業機器公司（IBM）的研究證明，利用量子經典協同工作，100+比特量子計算機可以探索化學、材料領域的實用級問題，並與化工、汽車、能源、航空等領域的眾多合作者迅速推進應用，行業內預測量子計算產生商業價值的時間大大提前。

實用化量子計算機發展可分為3個階段。第一階段，實現量子計算優越性的實驗室階段。當前的超級計算機已經無法順利求解某些特定的海量數據、高複雜度問題，若研製出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“量子優越性”，實現高效率求解。第二階段，尋求在某些特定領域實用價值的展現。這一階段意味着量子計算機已經開始走出實驗室開啓應用探索，儘管量子邏輯比特數只有100左右，但其運算能力已經超過任何超級計算機，量子計算機正進入早期工業階段。第三階段，研製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、集成數量和容錯能力都將大幅提升。

現階段發展最快的超導量子計算機正處於第二階段，已經在金融、材料科學、藥物設計等領域展現廣泛的應用前景。超導量子計算機“本源悟空”已在特定領域上線多款量子計算真機應用，包括金融領域投資組合優化應用、生物醫藥領域分子對接應用等。

量子計算當前正處於“含噪聲的中等規模量子”階段，如何在較高“噪聲”環境下運行，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製成功。

未來5年，全球將進入“量—超—智”三算融合時代。量子計算、超級計算和智能計算協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”，那麼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”，三者協同將是未來算力的終極形態。

（作者為中國科學院院士、中國科學技術大學教授，本報記者徐靖整理）