3月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、朱曉波、彭承志等，與上海量子科學(xué)研究中心、河南省量子信息與量子密碼重點實驗室、中國計量科學(xué)研究院、濟南量子技術(shù)研究院、西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院以及中國科學(xué)院理論物理研究所等單位合作，在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域取得重大突破，成功構(gòu)建了具有105量子比特的祖沖之三號超導(dǎo)量子計算原型機，并通過隨機線路采樣（RCS）實驗再次刷新量子計算優(yōu)越性記錄。該成果于以封面論文的形式正式發(fā)表于國際權(quán)威物理期刊《Physical Review Letters》。

上海人民廣播電臺長三角之聲《思創(chuàng)空間》邀請中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超導(dǎo)量子團隊的博士后郭少俊和博士生范道金，和主持人虹見一起，從科普的角度深入剖析構(gòu)建量子計算機的價值，探討它為我們生活帶來的憧憬與期望。本文根據(jù)該節(jié)目錄音內(nèi)容整理而成。

現(xiàn)如今，量子計算已從曾經(jīng)高深莫測的前沿理論逐漸走進大眾視野，成為科技領(lǐng)域備受矚目的焦點。從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科學(xué)家成功構(gòu)建 105 比特超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之三號”，實現(xiàn)對量子隨機線路采樣任務(wù)的快速求解這一重大科研成果，便能窺見量子計算發(fā)展的蓬勃之勢。這一成果猶如一顆投入平靜湖面的巨石，激起層層漣漪，讓許多人在驚嘆其厲害之余，心中也滿是疑惑：這究竟是怎樣的一項科研成果？它又會給我們的生活帶來怎樣的變化與影響？

什么是量子計算機？

什么是量子計算機

量子計算機與普通計算機有著本質(zhì)區(qū)別。從計算原理上看，普通計算機的基本單元是比特，狀態(tài)只有0和1，處于離散狀態(tài)。而量子計算機采用量子比特，具有兩個重要特性。一是疊加態(tài)，量子比特除0和1外，可處于二者疊加狀態(tài)，就像拋硬幣處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，停下時可能是0也可能是1。二是量子糾纏，多個量子比特之間存在相互關(guān)聯(lián)，這是普通比特所沒有的。基于這些特性，量子計算機具備并行計算能力，隨著比特規(guī)模增大，計算能力呈指數(shù)加速，這是二者的基本區(qū)別。

在硬件方面，普通計算機有CPU、內(nèi)存、硬盤等，量子計算機目前主要處于類似CPU階段，其控制部分可稱為外設(shè)，如控制信號傳輸線，且需要低溫環(huán)境。

量子計算機并非普通計算機或超級計算機的簡單升級，而是完全不同的計算體系。它憑借疊加態(tài)和量子糾纏帶來的并行計算能力，在計算能力上有質(zhì)的提升。例如面對超級大迷宮，經(jīng)典計算機像一個人走迷宮，走錯需從頭開始；而50個比特的量子計算機相當(dāng)于50個人同時走，計算速度和能力遠超經(jīng)典計算機。

量子計算機這種獨特的計算原理和強大計算能力，使其在特定問題上能展現(xiàn)量子優(yōu)越性，為科研、生活等眾多領(lǐng)域帶來無限憧憬與期望，未來有望在諸多復(fù)雜問題求解中發(fā)揮巨大作用。

量子優(yōu)越性

量子優(yōu)越性，起初被稱為量子稱霸或量子霸權(quán)，因后者表述過于有進攻性，現(xiàn)多稱量子優(yōu)越性。它指的是量子計算機在特定問題上，能夠超越最強大的經(jīng)典計算機，展現(xiàn)出獨特的計算能力優(yōu)勢。以走迷宮為例，經(jīng)典計算機如同一個人在迷宮中摸索，走錯只能從頭再來；而量子計算機則像是有許多人同時走，能并行探索不同路徑，大大提升了效率。

在科研實踐中，像九章三號和祖沖之三號，雖基于不同體系（光量子計算與超導(dǎo)量子計算），實現(xiàn)方式各異，但目的都是證明量子優(yōu)越性。九章三號通過高斯波色采樣實驗，祖沖之三號則通過量子隨機線路采樣實驗，證明了量子優(yōu)越性。

這里提到的量子隨機線路采樣實驗，具有兩個重點，第一個是量子，第二個是隨機線路。什么叫隨機線路？比如說我們需要去做很多的門操作，這些門操作就是一個隨機的門操作。對于大規(guī)模的隨機門操作，經(jīng)典計算機模擬極為困難，而量子計算機卻能自然完成。在實驗中，先通過小比特規(guī)模下經(jīng)典計算機與量子計算機結(jié)果的對比，驗證量子計算機結(jié)果的正確性；再隨著比特數(shù)增大，經(jīng)典計算機難以計算，從而凸顯量子計算機的優(yōu)越性。

如果再用走迷宮進行類比，走迷宮時每個分岔路口可類比為量子隨機線路采樣中的一個門操作，不同選擇對應(yīng)不同出口。量子計算機能較容易得到每個出口情況，而經(jīng)典計算機模擬此過程則復(fù)雜得多。

量子比特與保真度

量子比特是量子計算的基本單元，與我們手機上芯片所承載的經(jīng)典比特不同。經(jīng)典比特只能處于0或1的狀態(tài)，且不同經(jīng)典比特之間狀態(tài)相對獨立；而量子比特不僅可以處于0和1的疊加態(tài)，不同量子比特之間還存在糾纏關(guān)系。承載量子比特的芯片被稱為量子芯片或量子處理器，它是整個量子計算機的核心單元。從形態(tài)上看，量子處理器與手機中的處理器類似，都通過半導(dǎo)體手段制備，但在工藝和材料上存在差異。在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域，需在芯片上實現(xiàn)超導(dǎo)薄膜以降低量子處理器上的損耗。

量子比特的數(shù)量級意義重大。量子處理器的量子比特數(shù)量越多，意味著能夠構(gòu)建更大的量子態(tài)空間，進而能處理問題的規(guī)模和復(fù)雜度也會越高。例如，此次中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的成果實現(xiàn)了構(gòu)建105比特的超導(dǎo)量子計算原型機，相比之前有了顯著提升。這不僅體現(xiàn)在比特數(shù)量從少到多的攀升，更在于構(gòu)建出的105個量子比特是高質(zhì)量的，具備高性能。這就如同傳統(tǒng)半導(dǎo)體中，晶體管數(shù)量越多，能處理的問題越復(fù)雜一樣。在量子計算中，在一小塊芯片上集成更多的量子比特，且保證量子比特自身優(yōu)質(zhì)，是提升量子計算機性能的關(guān)鍵。

此次中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的成果超過去年10月谷歌公開發(fā)表成果的6個數(shù)量級，意味著在隨機線路采樣問題上，中科大團隊的量子計算機性能更優(yōu)，能處理更復(fù)雜的隨機線路采樣任務(wù)，所處理問題的復(fù)雜度比谷歌團隊高出極多。這一巨大反超得益于團隊在量子芯片的設(shè)計制備、量子門的操控、量子比特讀取以及軟件操作系統(tǒng)、電子學(xué)操作系統(tǒng)等軟硬件各個方面進行了全方位的技術(shù)更新，實現(xiàn)了代際升級。

我們常在新聞里聽到的保真度在量子計算領(lǐng)域是一個重要概念。以99%的保真度為例，它意味著一次量子操作的成功率為99%，換言之，每進行100次量子操作，平均出錯的次數(shù)大概是一次。

然而，在量子計算的實際實驗過程中，量子操作的錯誤率會隨著操作次數(shù)的增加而累計。比如99%的保真度，當(dāng)執(zhí)行100次量子操作時，按照0.99的100次方計算，此時的成功率就只剩下30%多了。

為了實現(xiàn)更大規(guī)模的量子計算，不斷提高量子操作的保真度至關(guān)重要。只有保真度足夠高，才能確保在多次量子操作過程中，操作的成功率不會因錯誤率的累計而大幅降低，進而保障量子計算能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地運行，推動量子計算朝著更大規(guī)模、更高性能的方向發(fā)展。

量子計算有什么價值？

量子計算的價值

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，量子計算作為一門前沿技術(shù)，正吸引著全球高校、科研院所和科技大廠的廣泛關(guān)注與投入。那么，量子計算真正的意義和價值究竟體現(xiàn)在哪些方面呢？

從應(yīng)用前景來看，量子計算在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。在密碼學(xué)領(lǐng)域，一種經(jīng)典的加密體系是基于大數(shù)因子分解。傳統(tǒng)計算機破解此類問題耗時漫長，而量子計算憑借其獨特的算法和強大的計算能力，能夠快速解決此類問題，這在軍事和戰(zhàn)略上至關(guān)重要。

在材料與量子化學(xué)領(lǐng)域，許多化學(xué)問題本質(zhì)上基于量子力學(xué)原理。經(jīng)典計算機在處理復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)時，由于分子規(guī)模不斷增大，面臨性能限制。量子計算利用疊加和并行計算的原理，能夠更高效地解決這些基于量子力學(xué)的化學(xué)問題，加速新材料的研發(fā)和藥物分子的設(shè)計。例如，在藥物研發(fā)中，理論上量子計算可以大大縮短篩選抗癌藥物的時間，一天或許就能完成一種抗癌藥物的篩選，幾天內(nèi)就能得到高效抗癌藥物，從而加快藥物實驗研發(fā)和醫(yī)療驗證的進程，為攻克疑難病癥帶來希望。

組合優(yōu)化問題也是量子計算有望解決的重要領(lǐng)域。以快遞員送快遞為例，如何設(shè)計最優(yōu)線路，使送快遞時間最短、路程最少、經(jīng)濟效益最高，這是一個典型的組合優(yōu)化問題。量子計算能夠通過其強大的計算能力，快速找到最優(yōu)解，提高物流效率，降低成本。

量子計算的價值不僅體現(xiàn)在具體的應(yīng)用領(lǐng)域，更在于它是下一輪計算基礎(chǔ)的重要基建。回顧半導(dǎo)體芯片在手機發(fā)展中的歷程，從幾百納米到幾納米的工藝進步，經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，推動了手機性能的巨大提升和應(yīng)用的多樣化。量子計算同樣是一個需要長期積累的技術(shù)領(lǐng)域，在技術(shù)興起的初期參與其中，掌握核心技術(shù)，持續(xù)推進發(fā)展，對于國家和企業(yè)來說至關(guān)重要。誰先搶灘到量子計算的先發(fā)優(yōu)勢，誰就能在未來的科技競爭中占據(jù)有利地位。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度看，量子計算與不同產(chǎn)業(yè)結(jié)合，將轉(zhuǎn)化為強大的經(jīng)濟動力。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，除了藥物研發(fā)，還可以應(yīng)用于疾病診斷、基因分析等方面，為個性化醫(yī)療提供支持。在金融領(lǐng)域，量子計算可用于風(fēng)險評估、投資組合優(yōu)化等，提高金融決策的準(zhǔn)確性和效率。在交通領(lǐng)域，有助于智能交通系統(tǒng)的優(yōu)化，實現(xiàn)更高效的交通流量管理。量子計算的發(fā)展也將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的繁榮，包括量子芯片制造、量子算法研發(fā)、量子軟件設(shè)計等。這將創(chuàng)造大量的就業(yè)機會，培養(yǎng)一批高素質(zhì)的科技人才，推動整個科技生態(tài)系統(tǒng)的升級。

未來應(yīng)用

量子計算作為一項極具潛力的前沿技術(shù)，其未來應(yīng)用前景備受關(guān)注。盡管目前量子計算仍處于發(fā)展初期，但它已展現(xiàn)出在多個領(lǐng)域改變現(xiàn)狀的巨大可能。

在現(xiàn)階段，普通人已有機會接觸量子計算。許多公司和科研機構(gòu)提供了量子計算云平臺服務(wù)，將量子計算機與網(wǎng)絡(luò)相連。用戶只需注冊賬號，并學(xué)習(xí)一些量子計算機的基礎(chǔ)知識，就能在云端使用這些量子計算機。不過，目前使用量子計算機的主要是從業(yè)人員和愛好者，要像人工智能一樣廣泛影響大眾生活，還需要出現(xiàn)現(xiàn)象級的應(yīng)用，這也是科研工作者們正在努力探索的方向。

從應(yīng)用形式來看，未來通用量子計算機實現(xiàn)后，并不會完全取代經(jīng)典計算機，而是與之形成相互補充的關(guān)系，類似于目前的CPU與GPU，它們有各自更適合的使用場景。量子計算是在特定領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，普通計算機也有自己的用武之地。

要使用量子計算，用戶需要學(xué)習(xí)一些基礎(chǔ)的量子計算知識，這與操作普通家庭電腦有所不同。未來，若能將量子門、量子線路等需要大量量子支持的基礎(chǔ)操作打包成更通用的方式，用戶或許就無需深入學(xué)習(xí)量子計算機制，也能更方便地上手使用。

量子糾錯

在量子計算領(lǐng)域，量子糾錯是為了解決量子比特容易受到環(huán)境干擾而失去量子特性的問題，確保量子計算的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為未來的廣泛應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)的關(guān)鍵一步。但現(xiàn)階段，量子糾錯面臨著諸多難點。量子計算機極易受到環(huán)境噪聲的影響，在計算過程中容易出現(xiàn)錯誤。量子糾錯旨在當(dāng)量子比特出錯時，能夠?qū)⑵浼m正過來，其概念雖與經(jīng)典計算機中的糾錯有相似之處，但量子糾纏的整個物理框架都是糾正環(huán)境帶來的錯誤影響。由于量子系統(tǒng)的獨特性，相關(guān)算法等需要進行改變和研究。

目前，科研團隊針對實現(xiàn)量子糾錯制定了明確計劃：一方面，繼續(xù)推進量子糾錯的研究。另一方面，基于現(xiàn)有的強大量子計算機，積極找尋在實際應(yīng)用中有價值的量子算法。

科研團隊的故事

量子計算的工作環(huán)境極為特殊，需要在接近絕對零度的低溫狀態(tài)下運行。量子計算機的核心——量子處理器，會被放置在一個被稱為稀釋制冷機的大“冰箱”里。

為何需要如此低的溫度呢？一方面，量子計算采用的是超導(dǎo)量子計算技術(shù)，量子處理器上使用的是超導(dǎo)金屬，只有將其環(huán)境溫度降到超導(dǎo)金屬的臨界溫度以下，金屬才能表現(xiàn)出超導(dǎo)效應(yīng)，處于超導(dǎo)狀態(tài)，從而降低芯片上的損耗，延長量子比特的生存時間。另一方面，環(huán)境中不可避免的熱噪聲會使量子比特在不同的量子能級之間發(fā)生躍遷，導(dǎo)致量子比特狀態(tài)不穩(wěn)定。而接近絕對零度的低溫環(huán)境能讓量子比特“冷靜下來”，穩(wěn)定地待在預(yù)期的狀態(tài)上。

不過，科研人員并不需要一直待在低溫環(huán)境中工作。他們只需把處理器放進稀釋制冷機，通過同軸線路將量子比特的控制和讀取信號輸出到室溫，然后在舒適的外界環(huán)境中，用電子學(xué)設(shè)備對其進行控制和讀取操作。

量子計算研究是一個跨學(xué)科、多領(lǐng)域的合作項目，涉及電子、計算、物理、工程等多個方面。以中科大團隊為例，整個研究鏈條完整且緊密。量子芯片的設(shè)計和加工制造是基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，制造出芯片后，要將其放入稀釋制冷機，這就涉及到許多工程問題。之后，還需要對量子芯片進行測控，確保能夠準(zhǔn)確地操縱和讀取量子比特的狀態(tài)。而測控過程中，信號的生成至關(guān)重要，這就需要電子學(xué)硬件方面的研究。同時，還需要軟件操作，通過軟件精確控制輸入到量子比特中的信號，以實現(xiàn)各種實驗和應(yīng)用。

今天的節(jié)目嘉賓范道金博士主要負(fù)責(zé)測控方面的工作。在量子芯片制造出來后，他致力于提高量子芯片的讀取保真度和量子門保真度，實現(xiàn)如隨機線路采樣實驗等任務(wù)。郭少俊老師的工作則與范博士有相似之處，也主要負(fù)責(zé)量子芯片的測控和設(shè)計部分，此外，他還在使用量子計算機進行應(yīng)用算法研究。

給青年朋友們的話

在科技飛速發(fā)展的今天，量子計算作為前沿領(lǐng)域，吸引著眾多小朋友和青年朋友的目光。如果有小朋友立志長大后要造量子計算機，或者想為這一領(lǐng)域做些準(zhǔn)備，科學(xué)家們有著寶貴的建議。

范道金博士指出，對于小朋友而言，首要任務(wù)是完成當(dāng)前階段的學(xué)習(xí)，扎實打好物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的根基。這是邁向量子計算領(lǐng)域的第一步。同時，可以多聆聽關(guān)于量子計算方面的科普講座，像墨子沙龍等舉辦的科普活動就是很好的學(xué)習(xí)途徑。由于量子計算目前主要屬于物理方向，若想投身其中，讀理科是個不錯的選擇。在大學(xué)階段，學(xué)好數(shù)理化至關(guān)重要。而且，量子計算目前正處于需要大量創(chuàng)新和大力發(fā)展的階段，保持好奇心和探索欲尤為關(guān)鍵。好奇心是探索未知的動力源泉，探索欲能驅(qū)使大家不斷深入研究，在量子計算的廣闊天地里挖掘新的知識和技術(shù)。

郭少俊老師補充道，量子計算行業(yè)并非只局限于物理專業(yè)，它需要各個領(lǐng)域的優(yōu)秀人才。無論是學(xué)物理、計算機、軟件，還是涉及低溫等專業(yè)，都歡迎加入。這意味著青年朋友們有著多樣的選擇，可以根據(jù)自己的興趣和特長，在量子計算領(lǐng)域找到適合自己的發(fā)展方向。

當(dāng)被問到面對量子計算這一有前景但艱難的任務(wù)，在無數(shù)次失敗和未知挑戰(zhàn)面前如何進行心理建設(shè)時，范道金博士分享了自己的經(jīng)驗。他們會把困難分解成一個個小困難，每解決一個小困難，都會獲得一次很大的鼓舞。在遇到困難時，多與團隊里的老師、同學(xué)們交流，互相鼓勵，攜手共進。在科研的道路上，團隊的力量是無窮的，大家相互支持，能共同克服困難，不斷前行。

郭少俊老師則強調(diào)了熱愛和定力的重要性。首先要熱愛這一行，堅信量子計算這一方向是正確的，一定能夠取得成功。遇到問題時要保持定力，不被暫時的困難所動搖，保持樂觀的心態(tài)，一點一點地去解決問題。定力能讓我們在面對挫折時保持冷靜，不被失敗沖昏頭腦；樂觀則能讓我們在困境中看到希望，激發(fā)前進的動力。