量子計算：下一個“兵家必爭之地”

張夢怡 張輝

1946年，世界上第一臺通用計算機ENIAC在美國賓夕法尼亞大學誕生，這個龐然大物有18 000個電子管，重達30噸，占地170平方米，每秒鐘可進行5000次運算。之后，電子計算機又經歷了晶體管計算機、集成電路計算機到超大規模基礎電路計算機的時代，從性能到外觀都有了極大的改善。

電子計算機的飛速發展導致“摩爾定律”的產生，即機器的性能每隔約18個月將提高一倍。然而，物理學家認為摩爾定律必定會終結，因為摩爾定律的技術基礎需要不斷提高電子芯片的集成度（即單位芯片面積上的晶體管數目），而這受到兩個主要物理限制：一是非可逆門操作會丟失大量比特，并轉化為熱量，最終會燒穿芯片；二是終極的運算單元是單電子晶體管，而單電子的量子效應將影響芯片的工作，使運算速度無法持續提高[1]。在量子信息技術領域，量子計算以其并行計算能力等特性，存儲數據能力強、執行運算速度快等核心優勢，成為突破經典計算極限的重要技術[2]。

何為量子計算

從最早的算盤到目前的計算器，再到日常使用的筆記本電腦、臺式機，甚至是超級計算機，從本質上來說，它們都是建立在經典計算原理上的。經典比特是二進制變量，一個比特要么是0，要么是1，在某一時刻，兩個經典比特最多只能表示00、10、01、11這4種可能性的一種；但對于量子比特而言，由于量子的疊加性，使得每一個量子比特同一時刻可以處在兩個不同狀態上，一個比特既可以是0也可以是1。因此，兩個量子比特可以同時表示00，01，10，11這4種可能性，是經典的22倍。隨著比特數增加，其信息的存儲量和運行速度會以指數級增加，例如，N個量子比特（假設每個量子比特均有效）可以同時表示2N種可能性，而經典計算機則望塵莫及。簡單地理解，量子計算機采用的是并行運算模式，因此處理數據的速度更快[3]。

量子計算未來的潛力巨大，作為前沿的高新科技，它已成為世界各大巨頭公司爭相入局的新興產業，美國有谷歌、國際商業機器公司（IBM）、英特爾，中國有阿里巴巴、華為、騰訊、百度，產業界還有三星、空中客車、洛克希德·馬丁和富士通。全球多個國家和地區更是出臺多項支持研究量子技術的政策。2020年，IBM公司就公布了量子計算機未來10年的發展路線：計劃在2021年建成127量子比特的中型計算機，2022年持續突破并建成433量子比特計算機，2023年達到1121量子比特，終極目標是2030年達到100萬量子比特。

IBM還推出了一種比目前市面上任何一種冷卻裝置都要大的“超級冰箱”，團隊在設計這個龐然大物時考慮到了百萬量子比特的系統，并且已經開始基本的可行性測試。目前，IBM已開始在全球部署量子計算機的計劃。截至目前，在德國、日本等國家部署量子計算機達20余臺。2021年6月15日，IBM的27量子比特量子計算機在德國巴登-符騰堡州正式投入使用，這是歐洲最強大的量子系統。通過與IBM的合作，德國在量子計算道路上邁出了堅實一步，有望成為歐洲量子計算研究的領導者[4]。2021年7月底，IBM和東京大學宣布量子計算機已在川崎企業孵化中心開始運行，該設備搭載的是27量子比特超導量子計算機。

在量子計算機領域，IBM不是唯一有野心的公司，谷歌同樣如此。2019年9月20日，谷歌內部研究報告顯示，其研發的量子計算機Sycamore成功地在3分20秒時間內，完成現今最先進的傳統超級計算機需1萬年時間處理的問題，聲稱在全球首次實現“量子霸權”。“量子霸權”指量子計算機處理某一類問題的能力超過經典計算機，這種計算機屬于專用量子計算機。

2020年全球量子投資總額首次突破10億美元，相當于此前4年的總和。截至2021年6月，2021年全球量子投資總額已經超過2020年全年，達到13億美元。巨頭們的爭先恐后，投資方的蜂擁而至，都釋放出一個再明顯不過的信號：量子計算是下一個“兵家必爭之地”。

我國首臺工程化量子計算機誕生

視線轉回安徽合肥高新區，這里有一條舉國聞名的充滿科技力量的路——云飛路，它還有一個響亮的名字叫作“量子大道”。沿著這條路從東往西，遍布著數10家量子信息相關的企業，其中科大國盾、本源量子、國儀量子分別代表了中國的量子通信、量子計算、量子精密測量三大實力方向，成為未來在提高算力、保障信息安全、提升測量精度等方面突破經典技術瓶頸的角力場。

作為國內第一家成立的量子計算機全棧式開發的企業，本源量子圍繞著量子計算機的軟硬件進行研發，從量子芯片、量子計算測控一體機、量子計算機操作系統，再到編程語言、量子計算云平臺，均掌握企業自主研發技術。“過去，馬力即國力；未來，算力即國力”，目前國際上對于量子計算白熱化的競爭，清晰地驗證了本源量子創始人兼首席科學家郭國平多年前說過的這句話。

在量子大道上，有全國第一家量子計算線下體驗中心，這里有一臺量子計算機原型機。這臺量子計算機24小時運行，里面搭載了6量子比特的量子芯片，是一臺超導物理體系的量子計算機——本源悟源。它的技術對標IBM和谷歌2017—2018年水準的超導物理體系量子計算機。2016年，IBM率先研發出世界上第一個5量子比特超導量子計算機的量子云平臺，之后搭建了一套完整的量子計算機。也就是說，國內量子計算云平臺的發展只比美國晚4年，但在性能上基本與IBM持平。2020年，本源悟源上線到量子計算的云平臺，免費提供給全球網友使用。目前，本源量子公司研發的具有24個超導量子比特的量子芯片也已進入實驗階段。

極難跨越的制冷技術

量子計算機要正常工作，必須保證量子芯片始終處于接近絕對零度的極低溫環境下。稀釋制冷機是目前唯一能夠提供長期穩定極低溫工作環境的專用設備。截至目前，稀釋制冷機還未實現國產化，被幾家歐美公司壟斷，目前只能依賴進口，且價格昂貴。

盡管目前超導量子計算機在量子芯片的位數上更具發展優勢，但從長遠來看，除非稀釋制冷機技術發生巨大革命，否則難以跨越1000量子比特的界限。而中國在稀釋制冷機領域的競爭力并不占據優勢，這就直接導致在下一代量子計算機的競爭中面臨巨大外在壓力。為解決這個問題，本源量子已經在和國內多支團隊共同攻關，研發專用于超導量子計算機國產化的稀釋制冷機。

稀釋制冷機為量子芯片提供接近絕對零度的低溫環境，并且隔絕外界一切熱量和噪聲干擾，類似于傳統計算機的機箱通過風扇給中央處理器進行散熱。絕對零度是冰冷的極致，是一個理想的、無法達到的最低溫度。長期以來，科學家們向著這個目標發起了一次又一次挑戰。2021年我國科學家自主研發的無液氦稀釋制冷機成功實現在10.9毫開下連續穩定運行，滿足超導量子計算的條件，基本達到國際主流產品的水平。這一技術為解決我國在量子計算的“卡脖子”問題上邁出了關鍵的一步。

而半導體物理體系的量子計算機，對溫度的要求則更加寬松。超導量子計算機必須在“超導”狀態下運行，半導體量子計算機則沒有這個限制，已證明可以工作在1開以上的溫度。實現1開的低溫制冷技術成本更低，國產化能力也更強，且對于量子芯片位數的提升沒有限制。它的可擴展、可集成特性更強，這一點也是實現通用量子計算的前提。

15年如一日終將量子植根祖國

量子信息科學在國內能夠得到發展，離不開一位科學家幾十年如一日的默默耕耘，他就是我國量子信息科學界泰斗郭光燦院士，也是本源量子的聯合創始人。十多年前，郭光燦院士和郭國平教授就開始帶領本源量子研發團隊進入半導體物理體系這個領域，研發半導體量子計算機。

從1980年代起，郭光燦就開始進入量子光學領域。1984年，郭光燦在瑯琊山醉翁亭，主持召開了全國第一個量子光學研討會。這也是國內首次圍繞量子信息科學展開的學術會議。但這之后，量子在國內仍然沒有引起足夠的重視。郭光燦曾比喻自己“坐了15年的‘冷板凳’”。1998年、1999年、2000年3次申請以支持有重大應用前景的基礎研究為重點的973項目，均以失敗告終。因為大部分教授研究的都是經典信息，甚至還有一些人認為量子信息是“偽科學”，期間，科研經費已到了山窮水盡的境地。面對這樣的困境，郭光燦始終認為絕不能讓國家錯過發展量子信息的大好機遇，他在中國科學技術大學成立了中科院量子信息重點實驗室。初始的實驗室相當簡陋：“只有一臺386機器，一臺針式打印機，就這兩個設備。我的研究生們都是輪流用386機器。”后來有一位學生回憶說，當時大家都是排著隊用設備的，誰到點了，哪怕沒算完也得下來換人。

“只要有一點希望，我就會去做，盡管經歷三年都不成功。出差一個人，到賓館一個人，做報告我一個人，一個人修改報告，那個時候確實感到比較孤獨。”郭光燦一邊要領導實驗小組做論文，一邊又到處去申請經費，到處碰壁。但是他卻仍然很樂觀，他堅信自己一定會成功，堅信量子信息科學一定會被國人所接受。

2001年，量子信息重點實驗室遭遇了前所未有的困難。也正是在這一年，郭光燦第四次申請973項目，終于獲得成功，他拿到了國家首個量子信息領域的973項目，有了2500萬科研經費。

申請到項目后，作為首席科學家，他不是只考慮自己的團隊，而是考慮國家量子信息未來的發展。“中國要在世界上競爭，靠一個團隊是不行的，必須團結國內所有力量來參與競爭。”正是有了這樣的“大義”，郭光燦后來組建了最初的量子信息科學隊伍。時間證明，他是對的。從這個隊伍里，走出了5位院士，分別為郭光燦、彭堃墀、孫昌璞、潘建偉、杜江峰。他們是5位課題組長，先后被評為中科院院士。而后這個隊伍里的10多位年輕的學術骨干，又作為首席科學家承擔科技部973項目。該項目的實施是中國量子信息科學研究蓬勃發展，并在國際上占有一席之地的重要轉折點。

為量子計算貢獻中國力量

國內量子信息科學發展過程中，郭光燦還遇到了一個小插曲，這件事與我國著名“兩彈一星”功勛獎章獲得者錢學森有關。1990年代，郭光燦前瞻性地預判，量子信息一定會成為未來各國激烈競爭的領域。但當時量子信息在國內毫無聲息，如何擴大影響力是急需解決的問題。1998年，郭光燦組織了一次量子信息香山科學會議，為擴大會議影響力，提高會議規格，他想邀請一位“大人物”來主持會議，他想到了錢學森。

在給錢老的信中，郭光燦大膽建議：“要拿出當年搞‘兩彈一星’的精神來搞量子信息”，同時誠摯地邀請錢老來主持香山科學會議。令他沒有想到的是，沒多久，他就收到了錢老的回信：“我很同意您說的我國應統一組織全國力量攻克量子信息系統的技術問題。”錢老還表示“此事關系到國家大事”。同時，就如何組織全國力量，錢老以“兩彈一星”的經驗，在回信中表達了他的看法。盡管最后因為身體原因，錢老未參加會議，但這封信給了郭光燦極大的鼓舞。“錢老都這么關注和支持量子信息的研究，我們還有什么理由不全力以赴。”隨后，郭光燦找到同為“兩彈一星功勛獎章”獲得者王大珩院士，王大珩欣然同意：“中國人必須在量子信息領域有自己的聲音。”

在老一輩科學家的支持下，量子信息香山科學會議成功舉辦，郭光燦也通過主題報告，讓更多人知道了量子信息這個領域。一晃30多年過去了，郭光燦的團隊實現了當年對錢老的諾言，用自己畢生的心血去做一件事，將量子計算科技發展下去。

2021年以來，郭光燦團隊已在半導體量子芯片方面取得多項重大進展：利用微波超導諧振腔實現對半導體雙量子點的激發能譜測量。此外，利用微波諧振腔探測到半導體量子點受微波驅動調制的干涉新現象，該成果將助力本源量子公司在2021年底上線2量子比特的半導體量子計算機，這將是國內第一臺擁有自主產權的工程化半導體量子計算機。2021年9月，本源量子與中科大合作將機器學習應用于超導量子計算，這一成果有效提升了量子芯片的讀取保真度，并大幅度抑制讀取串擾效應。希望到2025年，能夠突破1000量子比特，達到1024量子比特，并將運用量子計算嘗試在不同行業領域解決對應的問題，研制出行業領域的專用量子計算機。

雖然目前無法判斷超導量子計算機和半導體量子計算機哪個才是未來的主流，也許未來在不同應用領域會使用不同物理體系，不能在技術上實現大一統，但是科學家們會始終堅持“為量子計算貢獻中國力量”，為國守賽道。

[1]郭光燦.量子信息技術研究現狀與未來. 中國科學：信息科學， 2020， 50（09）： 121-132.

[2]郭國平. 量子計算政策發展與應用研究綜述. 人民論壇·學術前沿， 2021， （07）： 57-63.

[3]郭光燦. 量子計算機的研究進展. 網信軍民融合， 2019， 000（007）： 8-10.

[4]歐首臺IBM量子計算機在德投入使用.環球網， 2021-06-18[2021-10-15]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=17028630858287 62221&wfr=spider&for=pc.

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