原標題：量子計算，未來不可限「量」（瞰前沿）
量子電腦，這一曾被視為科幻的技術奇跡，如今正逐步從理論走向現實，並在不斷叠代中展現其顛覆性的計算潛力。
一個量子位元可以同時儲存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。隨著第一次量子科技革命的推進，量子資訊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、量子通訊、量子測量等一批新興技術，極大地改變和提高了人類獲取、傳輸和處理資訊的方式和能力。
如果把量子科技比作一架「飛機」，那麽量子計算就相當於飛機的「發動機」，量子通訊就相當於飛機的「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，量子通訊是利用量子技術獲得更安全通訊，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，物理學家理察·費曼首次提出量子模擬的概念，之後科學家透過一系列驗證性實驗論證了量子計算的可行性，指出可利用量子電腦求解電子電腦（經典電腦）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，包括量子位元的引入、量子疊加態和量子纏結等特性的揭示。1994年，彼得·肖爾提出的肖爾演算法和洛夫·格羅弗的格羅弗量子搜尋演算法，更是進一步展示了量子電腦在解決特定問題上的高效性。
相比於經典電腦，量子電腦具備一些獨有的特性。首先，一個經典位元具有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；而一個兩能階量子位元可以處於0態和1態的疊加態，也就是說一個量子位元可以同時儲存0和1兩個數。其次，多個經典位元之間是獨立的，而量子位元之間組成的是一個復合系統。這些特性共同導致量子電腦與經典電腦相比具有兩個顯著優勢：一是量子電腦資訊儲存量隨位元數的增多呈指數級增長，理論上當位元數足夠大（例如位元數達到250個）時，量子電腦能夠儲存的數據量比宇宙中所有原子的數目還要多；二是量子電腦是對量子位元構成的整個復合系統進行操作，可以將其理解為一種原理上的「平行計算」，這是經典電腦無法實作的。
從概念走向實踐的量子電腦
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作方法，它基於超導效能的材料，使用電荷量子位元、磁通量子位元和相位量子位元這3種方式來形成量子位元。超導量子位元在操控、耦合、測量、擴充套件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，實作了與量子態所需精度相當的高精度控制、微波單光子狀態的制備等主要技術。超導技術路線的缺點是易受環境雜訊影響使得去相干時間變短，進而增加量子位元的操作難度。當前國際商業機器公司（IBM）開發的超導量子芯片位元數量已進入千位時代，在全球已部署了70余台量子電腦。擁有72個計算量子位元的中國第三代自主超導量子電腦「本源悟空」已完成137個國家使用者的30萬個量子計算任務。其他研究路徑上，各有所長，各自推進。
量子電腦的研發是一項復雜的任務。以超導量子電腦為例，量子電腦主要包含量子芯片、量子計算測控系統、低溫制冷系統、量子電腦作業系統、套用軟體等多個方面。
量子芯片作為量子電腦的「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演算法，並透過特殊的調變脈沖訊號輸入量子芯片，最終采集並分析量子芯片輸出的訊號以獲得問題的解答。然而，量子芯片的高效執行並非孤立存在，它還需要一個完善的硬體系統來支持，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溫稀釋制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溫環境、紅外放射線雜訊遮蔽、磁場雜訊遮蔽和極低的機械振動等高度隔離的執行條件，同時還需要高效率的導熱元件來及時帶走量子芯片執行時產生的熱量。
量子計算測控系統負責量子芯片所需訊號的生成、采集、控制與處理，是實作量子芯片編程的關鍵工具。它如同一名精通量子語言的「轉譯官」，將人類世界的復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。
在軟體技術方面，量子電腦同樣需要一套完整的軟體系統來支持其執行，包括量子電腦作業系統、量子語言編譯器、量子套用軟體以及量子電腦整合式開發環境等。這些軟體系統不僅為使用者提供量子程式的編程和操作界面，還需要對接硬體，將程式轉換為硬體所需的指令訊號，確保量子電腦能夠高效、準確地執行各種計算任務。
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業生態的活躍地區，歐美國家的量子企業聚集度較高，全球占比超過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月釋出1121位元量子處理器Condor，並推出首款模組化量子電腦IBM Quantum System Two。近期，美國谷歌公司開發的一款量子芯片Willow，首次實作了「低於閾值」的量子計算——即在擴充套件量子位元數量時，能夠降低誤差率，這是量子計算領域一個重要裏程碑。加拿大、日本、中國的量子計算團隊也在迅速向幾百、上千位元叠代。本源量子於2024年1月上線「本源悟空」超導量子電腦，搭載由72個計算位元和126個耦合位元構成的量子芯片。
量子計算與超級計算、智慧計算的融合發展正成為現實。全球主要國家正在加快布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位元量子電腦。歐盟將6台高效能量子電腦整合到捷克、法國、德國、義大利、波蘭和西班牙的各個超算中心，組成歐洲的量子計算網路。日本理化學研究所（RIKEN）在日本產的64位元超導量子電腦和超級電腦「富嶽」之間建立通訊鏈路。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，軟體層面實作不同算力的弱耦合。合肥先算中心率先在國內啟動超量融合中心建設，即將試點部署真實量子電腦。
各國積極發展套用生態，「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+位元量子電腦可以探索化學、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套用，行業內預測量子計算產生商業價值的時間大大提前。
實用化量子電腦發展可分為3個階段。第一階段，實作量子計算優越性的實驗室階段。當前的超級電腦已經無法順利求解某些特定的海量數據、高復雜度問題，若研制出50到100個邏輯量子位元的高精度專用量子電腦，就可在此類問題上充分展示其「量子優越性」，實作高效率求解。第二階段，尋求在某些特定領域實用價值的展現。這一階段意味著量子電腦已經開始走出實驗室開啟套用探索，盡管量子邏輯位元數只有100左右，但其運算能力已經超過任何超級電腦，量子電腦正進入早期工業階段。第三階段，研制可編程的通用量子電腦。可編程的量子電腦在多場景下套用，量子位元的操縱精度、整合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電腦正處於第二階段，已經在金融、材料科學、藥物設計等領域展現廣泛的套用前景。超導量子電腦「本源悟空」已在特定領域上線多款量子計算真機套用，包括金融領域投資組合最佳化套用、生物醫藥領域分子對接套用等。
量子計算當前正處於「含雜訊的中等規模量子」階段，如何在較高「雜訊」環境下執行，成為量子電腦所面臨的難題。能夠適應通用場景下的容錯量子電腦尚未研制成功。
未來5年，全球將進入「量—超—智」三算融合時代。量子計算、超級計算和智慧計算協同完成運算任務就是「量—超—智」融合。如果把普通電腦比喻成「自由車」，那麽帶有人工智慧的智慧算力就是一列「高鐵」，而量子電腦就像是一架「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）
(來源:人民日報)
