量子計(jì)算機(jī)進(jìn)入2.0時(shí)代

張媛 周強(qiáng) 張揚(yáng)

2021年10月，我國量子計(jì)算領(lǐng)域雙喜臨門：“祖沖之號”和“九章”的2.0升級版——“祖沖之二號”“九章二號”均成功構(gòu)建。

“祖沖之二號”構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)?！熬耪露枴眲t再次刷新國際光量子操縱的技術(shù)水平，處理特定問題比目前全球最快的超級計(jì)算機(jī)快10的24次方倍。這意味著，我國已成為世界上唯一在超導(dǎo)量子和光量子兩種體系下達(dá)到“量子優(yōu)越性”里程碑的國家。

幾十年間，量子計(jì)算機(jī)一步步從科學(xué)家的大膽構(gòu)想中走向現(xiàn)實(shí)。這一路經(jīng)歷了怎樣的曲折過程？世界上至今有哪些量子計(jì)算機(jī)？“祖沖之號”和“九章”的2.0版實(shí)現(xiàn)了怎樣的技術(shù)升級？

道阻且長，行則將至

1981年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼提出了兩個(gè)富有洞察力的問題：經(jīng)典計(jì)算機(jī)是否能有效模擬量子系統(tǒng)？舍棄經(jīng)典的圖靈機(jī)模型而利用具有奇特性質(zhì)的量子材料，能否構(gòu)建模擬量子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)？

這是人類首次提出量子計(jì)算機(jī)概念。量子計(jì)算機(jī)的時(shí)代帷幕也由此拉開。

量子計(jì)算意義深遠(yuǎn)，因?yàn)樗_啟了一種全新的計(jì)算模式。古希臘數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥拉斯說，任何事情都可用數(shù)來代表。也就是說，任何問題都可以變成一個(gè)函數(shù)計(jì)算：輸入一個(gè)數(shù)，通過一個(gè)模型演化運(yùn)算，再輸出一個(gè)數(shù)。

這個(gè)模型就像一個(gè)黑匣子，利用經(jīng)典力學(xué)時(shí)就是我們現(xiàn)在正在使用的經(jīng)典圖靈機(jī)，利用量子力學(xué)時(shí)就是全新的量子計(jì)算機(jī)。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算機(jī)，通常需要具備3個(gè)基本模塊：一是軟件系統(tǒng)，即量子算法;二是量子信息控制系統(tǒng)，即量子電路，用來確保量子計(jì)算中可靠的底層信息處理，這相當(dāng)于操作系統(tǒng)和編程;三是硬件體系。

三者中首先取得重大突破的是量子算法。影響最大的有兩種算法：一種是誕生于1994年的舒爾（SHOR）算法，用于破解大質(zhì)因數(shù)分解，可將分解5000位數(shù)字的時(shí)間從50億年減到2分鐘，在密碼破譯方面潛力巨大;另一種是誕生于1996年的格羅弗（GROVE）算法，即量子搜索算法，可從大量無序的對象中快速找到需要的東西，解決“最短路徑搜尋”“大海撈針”等一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難解決的優(yōu)化問題。

三者中進(jìn)展最慢的是物理硬件。制備大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)，長期以來挑戰(zhàn)性極大，對于多個(gè)量子比特的有效測量和規(guī)?；筛请y上加難。因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)本身就是一個(gè)矛盾體，一方面要把量子比特從環(huán)境中完全孤立出來，另一方面又要控制它們并使之相互作用。好比每個(gè)光子都有很好的量子性能，但要控制很多光子達(dá)到像一個(gè)光子那樣的性能，就不是那么容易了。

科學(xué)家們一直在矛盾的“夾縫”中尋找出路。量子態(tài)是脆弱和敏感的，極易受到周圍環(huán)境影響。在宏觀世界中去建造一臺量子比特?cái)?shù)足夠多、操控保真度足夠高的量子計(jì)算機(jī)，讓無形的量子服從命令，簡直需要“巫師一般的魔法”。

經(jīng)過科研人員幾十年的不懈努力，量子計(jì)算機(jī)陸續(xù)形成，現(xiàn)整體處在早期發(fā)展階段。如果類比經(jīng)典計(jì)算機(jī)，大體在電子管時(shí)代，可謂“道阻且長，行則將至;行而不輟，未來可期”。

百舸爭流，奮楫者先

目前，世界上都有哪些量子計(jì)算機(jī)？

根據(jù)量子比特的制備方式不同，主流的技術(shù)路徑有超導(dǎo)量子、光量子、離子阱、半導(dǎo)體量子點(diǎn)量子以及量子拓?fù)涞?。?種路徑均已制作出量子計(jì)算原型機(jī)。

超導(dǎo)量子方案是最主流的路線，它用超導(dǎo)體做原料，最大優(yōu)勢在于具有可操作性和可擴(kuò)展性。這使超導(dǎo)量子成為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算最有前景的候選方案之一。

2019年年初，IBM首先實(shí)現(xiàn)了基于超導(dǎo)系統(tǒng)的50位量子計(jì)算機(jī)“IBM-Q”。谷歌也是超導(dǎo)系統(tǒng)的追捧者，迅速超越IBM，于2019年9月發(fā)布53量子比特的“懸鈴木”。2021年，我國可編程超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之號”問世，量子比特達(dá)到62個(gè)。

另一條重要路線就是光量子，原料是光。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)使用光量子路線，成功孕育出76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。

我們不妨拿光量子路線和超導(dǎo)量子路線比較一下：超導(dǎo)量子比較容易控制，光量子則要復(fù)雜得多;超導(dǎo)量子需要在接近絕對零度的超低溫下才能確保穩(wěn)定性，而光量子在室溫下就能運(yùn)行;超導(dǎo)量子能用于制作量子比特的特征比較少，光量子動(dòng)起來能測量的指標(biāo)比較多，比如有路徑、偏振、角動(dòng)量等。

同時(shí)，兩者也都各有“死穴”：光量子的問題在于相互間作用很弱，很難制作糾纏態(tài)，不過一旦制成就很穩(wěn)定，可理解為“門檻高天花板也高”;超導(dǎo)量子彼此間作用力強(qiáng)，容易制作糾纏態(tài)，但很不穩(wěn)定。

澳大利亞西蒙斯團(tuán)隊(duì)使用的是硅量子點(diǎn)系統(tǒng)，微軟發(fā)展的是拓?fù)淞孔颖忍胤桨?，還有美國霍尼韋爾領(lǐng)銜的離子阱方案，以及其他更小眾的方案，可謂百花齊放，各種路線各有特色和優(yōu)勢。

總之，當(dāng)今世界各國都在集中力量和科研資源，尋找適合自己的量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)途徑。百舸爭流，奮楫者先;千帆競發(fā)，勇進(jìn)者勝?！白鏇_之號”在超導(dǎo)量子賽道、“九章”在光量子賽道都成了冠軍。

潛心深耕，中國作答

所謂“量子優(yōu)越性”，即對于特定任務(wù)，量子計(jì)算機(jī)可以解決，而現(xiàn)存的任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)運(yùn)用任何已知算法，都不能在一個(gè)可接受的時(shí)間內(nèi)完成。

為了證明量子計(jì)算的這種“絕對優(yōu)勢”，可特定一個(gè)精心設(shè)計(jì)的任務(wù)，不一定具有實(shí)際價(jià)值，主要用于證實(shí)量子計(jì)算的巨大潛力，同時(shí)為之后的發(fā)展鋪設(shè)道路。目前，用于演示“量子優(yōu)越性”的任務(wù)，包括隨機(jī)量子線路采樣、玻色采樣、IQP線路等。

比如，隨機(jī)線路采樣任務(wù)就非常適合在超導(dǎo)量子計(jì)算上完成。它復(fù)雜度高，經(jīng)典計(jì)算很難模擬?！白鏇_之號”選擇“二維的量子隨機(jī)行走”這一問題，證明了“量子優(yōu)越性”。同理，“九章”完成的是“高斯玻色采樣”任務(wù)，在光學(xué)體系中證明了“量子優(yōu)越性”。

證明“量子優(yōu)越性”，可以說是量子計(jì)算機(jī)研制征程上的一個(gè)里程碑?！白鏇_之二號”和“九章二號”的誕生，像一對雙子星，照亮了量子應(yīng)用更廣闊的前程。

62個(gè)量子比特的“祖沖之號”，當(dāng)時(shí)已是世界上公開發(fā)表論文提到比特?cái)?shù)最多的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)今完成自我超越的“祖沖之二號”，實(shí)現(xiàn)了66個(gè)量子比特，又采用全新的倒裝焊3D封裝工藝以及可調(diào)耦合架構(gòu)，解決了大規(guī)模比特集成問題，實(shí)現(xiàn)了比特間耦合快速、精確可調(diào)。

“祖沖之二號”對特定任務(wù)處理速度比當(dāng)前最快的超級計(jì)算機(jī)快1000萬倍，所完成任務(wù)的難度比谷歌“懸鈴木”高2～3個(gè)數(shù)量級。

另一條路線上，“九章二號”在計(jì)算規(guī)模和復(fù)雜度上，與“九章”相比都有顯著提升：“九章”構(gòu)建的是76個(gè)光子、100模式的量子計(jì)算原型機(jī);“九章二號”則成功構(gòu)建了113個(gè)光子、144模式的量子計(jì)算原型機(jī)。“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級計(jì)算機(jī)“富岳”需要花費(fèi)一億年;“九章二號”一毫秒完成的任務(wù)，“富岳”需要算上30萬億年。最重要的是，“九章二號”還具備了部分可編程能力。

潛心深耕，中國作答。在不懈的攀登中，我國已為世界提供了“中國方案”?！傲孔觾?yōu)越性”并非終點(diǎn)、只是起點(diǎn)，就像顯微鏡賦予了人們探尋微生物世界的途徑，天文望遠(yuǎn)鏡搭建了人們探索廣袤星空的橋梁，量子計(jì)算機(jī)意味著對于無限廣闊的未知領(lǐng)域，我們即將找到開啟的“鑰匙”。

（文章轉(zhuǎn)載自《解放軍報(bào)》）