量子計(jì)算：下一個(gè)“兵家必爭(zhēng)之地”

張夢(mèng)怡 張輝

1946年，世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生，這個(gè)龐然大物有18 000個(gè)電子管，重達(dá)30噸，占地170平方米，每秒鐘可進(jìn)行5000次運(yùn)算。之后，電子計(jì)算機(jī)又經(jīng)歷了晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)到超大規(guī)?；A(chǔ)電路計(jì)算機(jī)的時(shí)代，從性能到外觀都有了極大的改善。

電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展導(dǎo)致“摩爾定律”的產(chǎn)生，即機(jī)器的性能每隔約18個(gè)月將提高一倍。然而，物理學(xué)家認(rèn)為摩爾定律必定會(huì)終結(jié)，因?yàn)槟柖傻募夹g(shù)基礎(chǔ)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(shù)目），而這受到兩個(gè)主要物理限制：一是非可逆門操作會(huì)丟失大量比特，并轉(zhuǎn)化為熱量，最終會(huì)燒穿芯片；二是終極的運(yùn)算單元是單電子晶體管，而單電子的量子效應(yīng)將影響芯片的工作，使運(yùn)算速度無法持續(xù)提高[1]。在量子信息技術(shù)領(lǐng)域，量子計(jì)算以其并行計(jì)算能力等特性，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、執(zhí)行運(yùn)算速度快等核心優(yōu)勢(shì)，成為突破經(jīng)典計(jì)算極限的重要技術(shù)[2]。

何為量子計(jì)算

從最早的算盤到目前的計(jì)算器，再到日常使用的筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)，甚至是超級(jí)計(jì)算機(jī)，從本質(zhì)上來說，它們都是建立在經(jīng)典計(jì)算原理上的。經(jīng)典比特是二進(jìn)制變量，一個(gè)比特要么是0，要么是1，在某一時(shí)刻，兩個(gè)經(jīng)典比特最多只能表示00、10、01、11這4種可能性的一種；但對(duì)于量子比特而言，由于量子的疊加性，使得每一個(gè)量子比特同一時(shí)刻可以處在兩個(gè)不同狀態(tài)上，一個(gè)比特既可以是0也可以是1。因此，兩個(gè)量子比特可以同時(shí)表示00，01，10，11這4種可能性，是經(jīng)典的22倍。隨著比特?cái)?shù)增加，其信息的存儲(chǔ)量和運(yùn)行速度會(huì)以指數(shù)級(jí)增加，例如，N個(gè)量子比特（假設(shè)每個(gè)量子比特均有效）可以同時(shí)表示2N種可能性，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)則望塵莫及。簡(jiǎn)單地理解，量子計(jì)算機(jī)采用的是并行運(yùn)算模式，因此處理數(shù)據(jù)的速度更快[3]。

量子計(jì)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(zhēng)相入局的新興產(chǎn)業(yè)，美國(guó)有谷歌、國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）、英特爾，中國(guó)有阿里巴巴、華為、騰訊、百度，產(chǎn)業(yè)界還有三星、空中客車、洛克希德·馬丁和富士通。全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)更是出臺(tái)多項(xiàng)支持研究量子技術(shù)的政策。2020年，IBM公司就公布了量子計(jì)算機(jī)未來10年的發(fā)展路線：計(jì)劃在2021年建成127量子比特的中型計(jì)算機(jī)，2022年持續(xù)突破并建成433量子比特計(jì)算機(jī)，2023年達(dá)到1121量子比特，終極目標(biāo)是2030年達(dá)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(jí)冰箱”，團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)這個(gè)龐然大物時(shí)考慮到了百萬量子比特的系統(tǒng)，并且已經(jīng)開始基本的可行性測(cè)試。目前，IBM已開始在全球部署量子計(jì)算機(jī)的計(jì)劃。截至目前，在德國(guó)、日本等國(guó)家部署量子計(jì)算機(jī)達(dá)20余臺(tái)。2021年6月15日，IBM的27量子比特量子計(jì)算機(jī)在德國(guó)巴登-符騰堡州正式投入使用，這是歐洲最強(qiáng)大的量子系統(tǒng)。通過與IBM的合作，德國(guó)在量子計(jì)算道路上邁出了堅(jiān)實(shí)一步，有望成為歐洲量子計(jì)算研究的領(lǐng)導(dǎo)者[4]。2021年7月底，IBM和東京大學(xué)宣布量子計(jì)算機(jī)已在川崎企業(yè)孵化中心開始運(yùn)行，該設(shè)備搭載的是27量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)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(nèi)部研究報(bào)告顯示，其研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)Sycamore成功地在3分20秒時(shí)間內(nèi)，完成現(xiàn)今最先進(jìn)的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需1萬年時(shí)間處理的問題，聲稱在全球首次實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”。“量子霸權(quán)”指量子計(jì)算機(jī)處理某一類問題的能力超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)屬于專用量子計(jì)算機(jī)。

2020年全球量子投資總額首次突破10億美元，相當(dāng)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(jīng)超過2020年全年，達(dá)到13億美元。巨頭們的爭(zhēng)先恐后，投資方的蜂擁而至，都釋放出一個(gè)再明顯不過的信號(hào)：量子計(jì)算是下一個(gè)“兵家必爭(zhēng)之地”。

我國(guó)首臺(tái)工程化量子計(jì)算機(jī)誕生

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

作為國(guó)內(nèi)第一家成立的量子計(jì)算機(jī)全棧式開發(fā)的企業(yè)，本源量子圍繞著量子計(jì)算機(jī)的軟硬件進(jìn)行研發(fā)，從量子芯片、量子計(jì)算測(cè)控一體機(jī)、量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，再到編程語言、量子計(jì)算云平臺(tái)，均掌握企業(yè)自主研發(fā)技術(shù)?！斑^去，馬力即國(guó)力；未來，算力即國(guó)力”，目前國(guó)際上對(duì)于量子計(jì)算白熱化的競(jìng)爭(zhēng)，清晰地驗(yàn)證了本源量子創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家郭國(guó)平多年前說過的這句話。

在量子大道上，有全國(guó)第一家量子計(jì)算線下體驗(yàn)中心，這里有一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)。這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)24小時(shí)運(yùn)行，里面搭載了6量子比特的量子芯片，是一臺(tái)超導(dǎo)物理體系的量子計(jì)算機(jī)——本源悟源。它的技術(shù)對(duì)標(biāo)IBM和谷歌2017—2018年水準(zhǔn)的超導(dǎo)物理體系量子計(jì)算機(jī)。2016年，IBM率先研發(fā)出世界上第一個(gè)5量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的量子云平臺(tái)，之后搭建了一套完整的量子計(jì)算機(jī)。也就是說，國(guó)內(nèi)量子計(jì)算云平臺(tái)的發(fā)展只比美國(guó)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(jì)算的云平臺(tái)，免費(fèi)提供給全球網(wǎng)友使用。目前，本源量子公司研發(fā)的具有24個(gè)超導(dǎo)量子比特的量子芯片也已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。

極難跨越的制冷技術(shù)

量子計(jì)算機(jī)要正常工作，必須保證量子芯片始終處于接近絕對(duì)零度的極低溫環(huán)境下。稀釋制冷機(jī)是目前唯一能夠提供長(zhǎng)期穩(wěn)定極低溫工作環(huán)境的專用設(shè)備。截至目前，稀釋制冷機(jī)還未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，被幾家歐美公司壟斷，目前只能依賴進(jìn)口，且價(jià)格昂貴。

盡管目前超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)在量子芯片的位數(shù)上更具發(fā)展優(yōu)勢(shì)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，除非稀釋制冷機(jī)技術(shù)發(fā)生巨大革命，否則難以跨越1000量子比特的界限。而中國(guó)在稀釋制冷機(jī)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力并不占據(jù)優(yōu)勢(shì)，這就直接導(dǎo)致在下一代量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)中面臨巨大外在壓力。為解決這個(gè)問題，本源量子已經(jīng)在和國(guó)內(nèi)多支團(tuán)隊(duì)共同攻關(guān)，研發(fā)專用于超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)國(guó)產(chǎn)化的稀釋制冷機(jī)。

稀釋制冷機(jī)為量子芯片提供接近絕對(duì)零度的低溫環(huán)境，并且隔絕外界一切熱量和噪聲干擾，類似于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的機(jī)箱通過風(fēng)扇給中央處理器進(jìn)行散熱。絕對(duì)零度是冰冷的極致，是一個(gè)理想的、無法達(dá)到的最低溫度。長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們向著這個(gè)目標(biāo)發(fā)起了一次又一次挑戰(zhàn)。2021年我國(guó)科學(xué)家自主研發(fā)的無液氦稀釋制冷機(jī)成功實(shí)現(xiàn)在10.9毫開下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足超導(dǎo)量子計(jì)算的條件，基本達(dá)到國(guó)際主流產(chǎn)品的水平。這一技術(shù)為解決我國(guó)在量子計(jì)算的“卡脖子”問題上邁出了關(guān)鍵的一步。

而半導(dǎo)體物理體系的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)溫度的要求則更加寬松。超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)必須在“超導(dǎo)”狀態(tài)下運(yùn)行，半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)則沒有這個(gè)限制，已證明可以工作在1開以上的溫度。實(shí)現(xiàn)1開的低溫制冷技術(shù)成本更低，國(guó)產(chǎn)化能力也更強(qiáng)，且對(duì)于量子芯片位數(shù)的提升沒有限制。它的可擴(kuò)展、可集成特性更強(qiáng)，這一點(diǎn)也是實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的前提。

15年如一日終將量子植根祖國(guó)

量子信息科學(xué)在國(guó)內(nèi)能夠得到發(fā)展，離不開一位科學(xué)家?guī)资耆缫蝗盏哪?，他就是我?guó)量子信息科學(xué)界泰斗郭光燦院士，也是本源量子的聯(lián)合創(chuàng)始人。十多年前，郭光燦院士和郭國(guó)平教授就開始帶領(lǐng)本源量子研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)入半導(dǎo)體物理體系這個(gè)領(lǐng)域，研發(fā)半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)。

從1980年代起，郭光燦就開始進(jìn)入量子光學(xué)領(lǐng)域。1984年，郭光燦在瑯琊山醉翁亭，主持召開了全國(guó)第一個(gè)量子光學(xué)研討會(huì)。這也是國(guó)內(nèi)首次圍繞量子信息科學(xué)展開的學(xué)術(shù)會(huì)議。但這之后，量子在國(guó)內(nèi)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(qǐng)以支持有重大應(yīng)用前景的基礎(chǔ)研究為重點(diǎn)的973項(xiàng)目，均以失敗告終。因?yàn)榇蟛糠纸淌谘芯康亩际墙?jīng)典信息，甚至還有一些人認(rèn)為量子信息是“偽科學(xué)”，期間，科研經(jīng)費(fèi)已到了山窮水盡的境地。面對(duì)這樣的困境，郭光燦始終認(rèn)為絕不能讓國(guó)家錯(cuò)過發(fā)展量子信息的大好機(jī)遇，他在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)成立了中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。初始的實(shí)驗(yàn)室相當(dāng)簡(jiǎn)陋：“只有一臺(tái)386機(jī)器，一臺(tái)針式打印機(jī)，就這兩個(gè)設(shè)備。我的研究生們都是輪流用386機(jī)器?！焙髞碛幸晃粚W(xué)生回憶說，當(dāng)時(shí)大家都是排著隊(duì)用設(shè)備的，誰到點(diǎn)了，哪怕沒算完也得下來換人。

“只要有一點(diǎn)希望，我就會(huì)去做，盡管經(jīng)歷三年都不成功。出差一個(gè)人，到賓館一個(gè)人，做報(bào)告我一個(gè)人，一個(gè)人修改報(bào)告，那個(gè)時(shí)候確實(shí)感到比較孤獨(dú)?！惫鉅N一邊要領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)小組做論文，一邊又到處去申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)，到處碰壁。但是他卻仍然很樂觀，他堅(jiān)信自己一定會(huì)成功，堅(jiān)信量子信息科學(xué)一定會(huì)被國(guó)人所接受。

2001年，量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qǐng)973項(xiàng)目，終于獲得成功，他拿到了國(guó)家首個(gè)量子信息領(lǐng)域的973項(xiàng)目，有了2500萬科研經(jīng)費(fèi)。

申請(qǐng)到項(xiàng)目后，作為首席科學(xué)家，他不是只考慮自己的團(tuán)隊(duì)，而是考慮國(guó)家量子信息未來的發(fā)展?！爸袊?guó)要在世界上競(jìng)爭(zhēng)，靠一個(gè)團(tuán)隊(duì)是不行的，必須團(tuán)結(jié)國(guó)內(nèi)所有力量來參與競(jìng)爭(zhēng)?！闭怯辛诉@樣的“大義”，郭光燦后來組建了最初的量子信息科學(xué)隊(duì)伍。時(shí)間證明，他是對(duì)的。從這個(gè)隊(duì)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(zhǎng)，先后被評(píng)為中科院院士。而后這個(gè)隊(duì)伍里的10多位年輕的學(xué)術(shù)骨干，又作為首席科學(xué)家承擔(dān)科技部973項(xiàng)目。該項(xiàng)目的實(shí)施是中國(guó)量子信息科學(xué)研究蓬勃發(fā)展，并在國(guó)際上占有一席之地的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

為量子計(jì)算貢獻(xiàn)中國(guó)力量

國(guó)內(nèi)量子信息科學(xué)發(fā)展過程中，郭光燦還遇到了一個(gè)小插曲，這件事與我國(guó)著名“兩彈一星”功勛獎(jiǎng)?wù)芦@得者錢學(xué)森有關(guān)。1990年代，郭光燦前瞻性地預(yù)判，量子信息一定會(huì)成為未來各國(guó)激烈競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域。但當(dāng)時(shí)量子信息在國(guó)內(nèi)毫無聲息，如何擴(kuò)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(xué)會(huì)議，為擴(kuò)大會(huì)議影響力，提高會(huì)議規(guī)格，他想邀請(qǐng)一位“大人物”來主持會(huì)議，他想到了錢學(xué)森。

在給錢老的信中，郭光燦大膽建議：“要拿出當(dāng)年搞‘兩彈一星’的精神來搞量子信息”，同時(shí)誠(chéng)摯地邀請(qǐng)錢老來主持香山科學(xué)會(huì)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(guó)應(yīng)統(tǒng)一組織全國(guó)力量攻克量子信息系統(tǒng)的技術(shù)問題?！卞X老還表示“此事關(guān)系到國(guó)家大事”。同時(shí)，就如何組織全國(guó)力量，錢老以“兩彈一星”的經(jīng)驗(yàn)，在回信中表達(dá)了他的看法。盡管最后因?yàn)樯眢w原因，錢老未參加會(huì)議，但這封信給了郭光燦極大的鼓舞。“錢老都這么關(guān)注和支持量子信息的研究，我們還有什么理由不全力以赴?！彪S后，郭光燦找到同為“兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)隆鲍@得者王大珩院士，王大珩欣然同意：“中國(guó)人必須在量子信息領(lǐng)域有自己的聲音?！?/p>

在老一輩科學(xué)家的支持下，量子信息香山科學(xué)會(huì)議成功舉辦，郭光燦也通過主題報(bào)告，讓更多人知道了量子信息這個(gè)領(lǐng)域。一晃30多年過去了，郭光燦的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)年對(duì)錢老的諾言，用自己畢生的心血去做一件事，將量子計(jì)算科技發(fā)展下去。

2021年以來，郭光燦團(tuán)隊(duì)已在半導(dǎo)體量子芯片方面取得多項(xiàng)重大進(jìn)展：利用微波超導(dǎo)諧振腔實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)的激發(fā)能譜測(cè)量。此外，利用微波諧振腔探測(cè)到半導(dǎo)體量子點(diǎn)受微波驅(qū)動(dòng)調(diào)制的干涉新現(xiàn)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(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)，這將是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)擁有自主產(chǎn)權(quán)的工程化半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)。2021年9月，本源量子與中科大合作將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于超導(dǎo)量子計(jì)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?dāng)_效應(yīng)。希望到2025年，能夠突破1000量子比特，達(dá)到1024量子比特，并將運(yùn)用量子計(jì)算嘗試在不同行業(yè)領(lǐng)域解決對(duì)應(yīng)的問題，研制出行業(yè)領(lǐng)域的專用量子計(jì)算機(jī)。

雖然目前無法判斷超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)哪個(gè)才是未來的主流，也許未來在不同應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)使用不同物理體系，不能在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)大一統(tǒng)，但是科學(xué)家們會(huì)始終堅(jiān)持“為量子計(jì)算貢獻(xiàn)中國(guó)力量”，為國(guó)守賽道。

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

[2]郭國(guó)平. 量子計(jì)算政策發(fā)展與應(yīng)用研究綜述. 人民論壇·學(xué)術(shù)前沿， 2021， （07）： 57-63.

[3]郭光燦. 量子計(jì)算機(jī)的研究進(jìn)展. 網(wǎng)信軍民融合， 2019， 000（007）： 8-10.

[4]歐首臺(tái)IBM量子計(jì)算機(jī)在德投入使用.環(huán)球網(wǎng)， 2021-06-18[2021-10-15]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=17028630858287 62221&wfr=spider&for=pc.

關(guān)鍵詞：量子比特 量子計(jì)算機(jī) 量子芯片 ■