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(chǎn)線操作。
本報記者 徐 靖攝
圖④：“本源悟空”機群。
孫 超攝
圖⑤：量子計算機部件“高密度微波互連模組”。
孫 超攝
"> 圖①：超導(dǎo)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(chǎn)線操作。
本報記者 徐 靖攝
圖④：“本源悟空”機群。
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(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(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(dāng)于飛機的“發(fā)動機”，量子通信就相當(dāng)于飛機的“無線電”，量子測量就相當(dāng)于飛機的“雷達(dá)”。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(zhǔn)的測量。
量子計算的發(fā)展最早可以追溯到上世紀(jì)80年代，物理學(xué)家理查德·費曼首次提出量子模擬的概念，之后科學(xué)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(xué)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(jìn)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(fù)合系統(tǒng)。這些特性共同導(dǎo)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(dāng)比特數(shù)足夠大（例如比特數(shù)達(dá)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(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(dāng)前，量子計算新技術(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、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(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、測量、擴展等方面具有顯著優(yōu)勢。過去幾十年里，超導(dǎo)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(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)路線的缺點是易受環(huán)境噪聲影響使得退相干時間變短，進(jìn)而增加量子比特的操作難度。當(dāng)前國際商業(yè)機器公司（IBM）開發(fā)的超導(dǎo)量子芯片比特數(shù)量已進(jìn)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(dǎo)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(wù)。其他研究路徑上，各有所長，各自推進(jìn)。
量子計算機的研發(fā)是一項復(fù)雜的任務(wù)。以超導(dǎo)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(yīng)用軟件等多個方面。
量子芯片作為量子計算機的“心臟”，負(fù)責(zé)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(shè)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(dǎo)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(fù)責(zé)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(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(yīng)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(zhǔn)確地執(zhí)行各種計算任務(wù)。
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IBM Quantum System Two。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(tuán)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(dǎo)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(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(shè)，即將試點部署真實量子計算機。
各國積極發(fā)展應(yīng)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(xué)、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(jìn)應(yīng)用，行業(yè)內(nèi)預(yù)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(dāng)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(fù)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(yīng)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(jìn)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?？删幊痰牧孔佑嬎銠C在多場景下應(yīng)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(dǎo)量子計算機正處于第二階段，已經(jīng)在金融、材料科學(xué)、藥物設(shè)計等領(lǐng)域展現(xiàn)廣泛的應(yīng)用前景。超導(dǎo)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(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)域分子對接應(yīng)用等。
量子計算當(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)境下運行，成為量子計算機所面臨的難題。能夠適應(yīng)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(jìn)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(wù)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)。
（作者為中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，本報記者徐靖整理）
《 人民日報 》（ 2025年01月11日 06 版）