量子賽道跑出“中國速度”

量子計(jì)算機(jī)理論上具備超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，正在引領(lǐng)新一代計(jì)算技術(shù)。

量子芯片是量子計(jì)算機(jī)的核心處理器。近年來，我國在量子芯片領(lǐng)域取得積極進(jìn)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(jì)算比較主流的技術(shù)路線包括超導(dǎo)、光量子、離子阱、中性原子和硅半導(dǎo)體等。這些量子體系各具特點(diǎn)，目前仍處于“百家爭鳴”狀態(tài)。

中電信量子信息科技集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中電信量子集團(tuán)”）量子計(jì)算技術(shù)部牽頭人孫漢濤認(rèn)為，超導(dǎo)量子芯片的技術(shù)發(fā)展路線比較成熟，主要優(yōu)勢是與現(xiàn)有半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)高度兼容，可設(shè)計(jì)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(gè)量子比特的量子芯片“懸鈴木”（Sycamore）?；谠撔酒?，100萬次量子隨機(jī)線路采樣耗時(shí)約200秒，而當(dāng)時(shí)世界排名第一的超級計(jì)算機(jī)則需要1萬年左右。谷歌公司宣稱實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，這被視為量子計(jì)算發(fā)展史上的重要時(shí)刻。

2020年，由中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱“中國科大”）教授潘建偉領(lǐng)銜的陸朝陽教授課題組和中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等單位合作，構(gòu)建了光量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，求解了最高達(dá)76個(gè)光子的高斯玻色采樣問題，求解速度超越經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)?！熬耪隆痹趪H上首次實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)體系的量子計(jì)算優(yōu)越性，使中國成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家。隨后發(fā)展的“九章三號”，能操縱255個(gè)光子?！熬耪氯枴?微秒可算出的最復(fù)雜樣本，用世界上最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)之一“前沿”（Frontier）來計(jì)算，約需200億年。

2021年，潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的66個(gè)量子比特可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之二號”，執(zhí)行量子隨機(jī)線路采樣任務(wù)的速度比當(dāng)時(shí)全球最快的超級計(jì)算機(jī)快1000萬倍以上，計(jì)算復(fù)雜度比“懸鈴木”提高了6個(gè)數(shù)量級。

2024年12月17日，我國超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之三號”成果在線發(fā)表。研究結(jié)果表明，“祖沖之三號”超導(dǎo)量子計(jì)算芯片有105個(gè)超導(dǎo)量子比特，在各種性能指標(biāo)上與谷歌公司的量子芯片“威洛”（Willow）旗鼓相當(dāng)。目前，研究團(tuán)隊(duì)正基于“祖沖之三號”超導(dǎo)量子計(jì)算芯片開展相關(guān)測試工作，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子糾錯(cuò)和量子比特操控鋪平道路。

優(yōu)勢顯現(xiàn)

當(dāng)前，高性能量子芯片數(shù)量并不多，且超導(dǎo)量子計(jì)算芯片還需要室溫電子學(xué)系統(tǒng)、低溫傳輸線纜、稀釋制冷機(jī)等配套硬件設(shè)備維持其運(yùn)行。

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

2024年1月6日，由本源量子計(jì)算科技（合肥）股份有限公司（以下簡稱“本源量子”）自主研發(fā)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上線運(yùn)行?！氨驹次蚩铡贝钶d的72位自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”，是本源量子自主研發(fā)的第三代超導(dǎo)量子芯片。“本源悟空”可一次性下發(fā)、執(zhí)行多達(dá)200個(gè)量子線路的計(jì)算任務(wù)，相較于只能同時(shí)下發(fā)、執(zhí)行單個(gè)量子線路的國際同類量子計(jì)算機(jī)，具有更大速度優(yōu)勢?！啊驹次蚩铡褳槿?39個(gè)國家和地區(qū)的超1800萬用戶，完成30余萬個(gè)量子計(jì)算任務(wù)?！卑不帐×孔佑?jì)算工程研究中心副主任、“本源悟空”云服務(wù)研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人趙雪嬌告訴筆者。

目前，我國科學(xué)家已在教育、生物醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用量子算力。2024年12月8日，我國首個(gè)量子計(jì)算與數(shù)據(jù)醫(yī)學(xué)研究院——合肥量子計(jì)算與數(shù)據(jù)醫(yī)學(xué)研究院在本源量子成立。該研究院由蚌埠醫(yī)科大學(xué)和本源量子共同設(shè)立，致力于通過量子計(jì)算提升我國醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性和應(yīng)用效能。

“在生物醫(yī)藥行業(yè)，量子計(jì)算能夠在藥物設(shè)計(jì)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、醫(yī)療數(shù)據(jù)的分析與處理等領(lǐng)域提供助力。”趙雪嬌說。

2024年4月，中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院向科大國盾量子技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“國盾量子”）交付一款504比特超導(dǎo)量子計(jì)算芯片“驍鴻”，用于驗(yàn)證國盾量子自主研制的千比特測控系統(tǒng)等核心硬件。當(dāng)年12月，基于“驍鴻”芯片，中電信量子集團(tuán)和國盾量子聯(lián)合研發(fā)出國內(nèi)單臺比特?cái)?shù)最多的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“天衍504”，并接入中國電信“天衍”量子計(jì)算云平臺。該平臺自2023年11月對外服務(wù)以來，已為來自全球50多個(gè)國家和地區(qū)的用戶，提供超過60萬個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的計(jì)算服務(wù)。

未來可期

多位受訪專家認(rèn)為，當(dāng)前，包括量子芯片在內(nèi)的量子計(jì)算技術(shù)仍處于早期研發(fā)階段，離實(shí)際應(yīng)用還有很長的路要走。但是，科學(xué)家們對量子科技發(fā)展充滿信心。

“國際公認(rèn)的量子計(jì)算發(fā)展路線分為三步，第一步是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，這一目標(biāo)中國、美國等國家已達(dá)到；第二步是實(shí)現(xiàn)專用的量子模擬機(jī)；第三步是在實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建可編程通用量子計(jì)算機(jī)?！睂O漢濤說。

目前，研究人員正在努力實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的第二個(gè)目標(biāo)，已經(jīng)取得一系列進(jìn)展。例如，中國科大研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的超冷原子量子模擬器“天元”，以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的模擬能力首次驗(yàn)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(tuán)簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，三方未來將持續(xù)發(fā)揮各自資源優(yōu)勢，共同協(xié)助安徽氣象局構(gòu)建全國領(lǐng)先的氣象信息基礎(chǔ)設(shè)施算力基座，提升其在信息服務(wù)、數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用、數(shù)據(jù)安全、防災(zāi)減災(zāi)等方面的工作質(zhì)效。

在孫漢濤看來，此次簽約意味著量子計(jì)算在氣象預(yù)測領(lǐng)域的應(yīng)用邁出重要一步，將開創(chuàng)降雨精準(zhǔn)預(yù)測新范式。未來，量子科技有望改善災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，助力人類更好應(yīng)對天氣變化，減少經(jīng)濟(jì)損失。

“經(jīng)典計(jì)算機(jī)在開發(fā)數(shù)值天氣和氣候預(yù)測模型時(shí)存在局限性，‘天衍’量子計(jì)算云平臺為算法訓(xùn)練提供相關(guān)計(jì)算資源支撐，可以幫助氣象工程師、環(huán)境科學(xué)家等專業(yè)人員獲得更及時(shí)、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)?！睂O漢濤說。

孫漢濤認(rèn)為，未來5年里，量子計(jì)算有可能在一些實(shí)際應(yīng)用場景里體現(xiàn)出真正優(yōu)越性?！傲孔佑?jì)算最有可能的應(yīng)用是在化學(xué)領(lǐng)域，用于模擬化學(xué)分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)等，實(shí)現(xiàn)更高效、更低耗能的化學(xué)品設(shè)計(jì)?！睂O漢濤說。

孫漢濤進(jìn)一步展望，預(yù)計(jì)未來3～5年，研究人員可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百至上千個(gè)量子比特的相干操縱，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子糾錯(cuò)；未來10～15年，在量子糾錯(cuò)的基礎(chǔ)上，有可能構(gòu)建具備基本功能的通用量子計(jì)算機(jī)，探索量子計(jì)算在化學(xué)模擬、加密破解、大數(shù)據(jù)分析等方面的應(yīng)用。