量子賽道跑出“中國速度”

量子計算機理論上具備超越經典計算機的計算能力，正在引領新一代計算技術。

量子芯片是量子計算機的核心處理器。近年來，我國在量子芯片領域取得積極進展，在全球量子賽道中跑出了“中國速度”。

成果頻出

目前，量子計算比較主流的技術路線包括超導、光量子、離子阱、中性原子和硅半導體等。這些量子體系各具特點，目前仍處于“百家爭鳴”狀態。

中電信量子信息科技集團有限公司（以下簡稱“中電信量子集團”）量子計算技術部牽頭人孫漢濤認為，超導量子芯片的技術發展路線比較成熟，主要優勢是與現有半導體工業技術高度兼容，可設計性高，易于耦合，量子門操作速度快。

2019年，谷歌公司成功研制出具有53個量子比特的量子芯片“懸鈴木”（Sycamore）。基于該芯片，100萬次量子隨機線路采樣耗時約200秒，而當時世界排名第一的超級計算機則需要1萬年左右。谷歌公司宣稱實現了量子優越性，這被視為量子計算發展史上的重要時刻。

2020年，由中國科學院院士、中國科學技術大學（以下簡稱“中國科大”）教授潘建偉領銜的陸朝陽教授課題組和中國科學院上海微系統與信息技術研究所等單位合作，構建了光量子計算原型機“九章”，求解了最高達76個光子的高斯玻色采樣問題，求解速度超越經典超級計算機。“九章”在國際上首次實現基于光學體系的量子計算優越性，使中國成為全球第二個實現量子優越性的國家。隨后發展的“九章三號”，能操縱255個光子。“九章三號”1微秒可算出的最復雜樣本，用世界上最強大的超級計算機之一“前沿”（Frontier）來計算，約需200億年。

2021年，潘建偉團隊構建的66個量子比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，執行量子隨機線路采樣任務的速度比當時全球最快的超級計算機快1000萬倍以上，計算復雜度比“懸鈴木”提高了6個數量級。

2024年12月17日，我國超導量子計算機“祖沖之三號”成果在線發表。研究結果表明，“祖沖之三號”超導量子計算芯片有105個超導量子比特，在各種性能指標上與谷歌公司的量子芯片“威洛”（Willow）旗鼓相當。目前，研究團隊正基于“祖沖之三號”超導量子計算芯片開展相關測試工作，為實現大規模的量子糾錯和量子比特操控鋪平道路。

優勢顯現

當前，高性能量子芯片數量并不多，且超導量子計算芯片還需要室溫電子學系統、低溫傳輸線纜、稀釋制冷機等配套硬件設備維持其運行。

為了使更多量子計算算法、軟件開發工作者，以及量子計算愛好者接觸到量子計算，我國科學家及技術人員通過云技術，為大眾提供量子計算便利。

2024年1月6日，由本源量子計算科技（合肥）股份有限公司（以下簡稱“本源量子”）自主研發的超導量子計算機“本源悟空”上線運行。“本源悟空”搭載的72位自主超導量子芯片“悟空芯”，是本源量子自主研發的第三代超導量子芯片。“本源悟空”可一次性下發、執行多達200個量子線路的計算任務，相較于只能同時下發、執行單個量子線路的國際同類量子計算機，具有更大速度優勢。“‘本源悟空’已為全球139個國家和地區的超1800萬用戶，完成30余萬個量子計算任務。”安徽省量子計算工程研究中心副主任、“本源悟空”云服務研制團隊負責人趙雪嬌告訴筆者。

目前，我國科學家已在教育、生物醫藥等多個領域推廣應用量子算力。2024年12月8日，我國首個量子計算與數據醫學研究院——合肥量子計算與數據醫學研究院在本源量子成立。該研究院由蚌埠醫科大學和本源量子共同設立，致力于通過量子計算提升我國醫療數據的安全性和應用效能。

“在生物醫藥行業，量子計算能夠在藥物設計、蛋白質結構預測、醫療數據的分析與處理等領域提供助力。”趙雪嬌說。

2024年4月，中國科學院量子信息與量子科技創新研究院向科大國盾量子技術股份有限公司（以下簡稱“國盾量子”）交付一款504比特超導量子計算芯片“驍鴻”，用于驗證國盾量子自主研制的千比特測控系統等核心硬件。當年12月，基于“驍鴻”芯片，中電信量子集團和國盾量子聯合研發出國內單臺比特數最多的超導量子計算機“天衍504”，并接入中國電信“天衍”量子計算云平臺。該平臺自2023年11月對外服務以來，已為來自全球50多個國家和地區的用戶，提供超過60萬個實驗任務的計算服務。

未來可期

多位受訪專家認為，當前，包括量子芯片在內的量子計算技術仍處于早期研發階段，離實際應用還有很長的路要走。但是，科學家們對量子科技發展充滿信心。

“國際公認的量子計算發展路線分為三步，第一步是實現量子計算優越性，這一目標中國、美國等國家已達到；第二步是實現專用的量子模擬機；第三步是在實現量子糾錯的基礎上，構建可編程通用量子計算機。”孫漢濤說。

目前，研究人員正在努力實現量子計算的第二個目標，已經取得一系列進展。例如，中國科大研究團隊構建的超冷原子量子模擬器“天元”，以超越經典計算機的模擬能力首次驗證了該體系中的反鐵磁相變。

2024年9月，安徽省氣象局、中國電信股份有限公司安徽分公司、中電信量子集團簽署戰略合作協議，三方未來將持續發揮各自資源優勢，共同協助安徽氣象局構建全國領先的氣象信息基礎設施算力基座，提升其在信息服務、數據創新應用、數據安全、防災減災等方面的工作質效。

在孫漢濤看來，此次簽約意味著量子計算在氣象預測領域的應用邁出重要一步，將開創降雨精準預測新范式。未來，量子科技有望改善災害預警系統，助力人類更好應對天氣變化，減少經濟損失。

“經典計算機在開發數值天氣和氣候預測模型時存在局限性，‘天衍’量子計算云平臺為算法訓練提供相關計算資源支撐，可以幫助氣象工程師、環境科學家等專業人員獲得更及時、精準的數據。”孫漢濤說。

孫漢濤認為，未來5年里，量子計算有可能在一些實際應用場景里體現出真正優越性。“量子計算最有可能的應用是在化學領域，用于模擬化學分子結構、化學反應等，實現更高效、更低耗能的化學品設計。”孫漢濤說。

孫漢濤進一步展望，預計未來3～5年，研究人員可以實現數百至上千個量子比特的相干操縱，實現可擴展的量子糾錯；未來10～15年，在量子糾錯的基礎上，有可能構建具備基本功能的通用量子計算機，探索量子計算在化學模擬、加密破解、大數據分析等方面的應用。