信息海洋中的“量子快艇”

量子先鋒：“本源悟空”

當(dāng)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)還在摩爾定律的盡頭徘徊時(shí)，一臺(tái)名為“本源悟空”的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)正在中國(guó)安徽合肥的實(shí)驗(yàn)室中悄然運(yùn)轉(zhuǎn)。

“本源悟空”搭載了72位自主超導(dǎo)量子芯片，已面向全球139個(gè)國(guó)家用戶提供量子計(jì)算云服務(wù)，完成了36萬個(gè)量子計(jì)算任務(wù)。

這臺(tái)中國(guó)自主研制的第三代超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，以《西游記》中“七十二變”的孫悟空為名，既隱喻量子疊加（詳見《知識(shí)就是力量》2023年3月刊）的無限可能，也象征著中國(guó)科技自主研發(fā)的決心——它的成功上線，標(biāo)志著我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的自主研發(fā)能力已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，中國(guó)自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造鏈成鏈。

量子計(jì)算機(jī)為什么這么快？

比特是“二進(jìn)制位”的簡(jiǎn)稱，它只有兩種狀態(tài)，就像一個(gè)開關(guān)，要么是開的，要么是關(guān)的。在計(jì)算機(jī)中，這兩種狀態(tài)通常用數(shù)字“0”和“1”來表示。

量子比特是量子計(jì)算的基石。不同于傳統(tǒng)比特只能處于0或1的單一狀態(tài)，量子比特通過量子疊加原理，可同時(shí)表征0和1的疊加態(tài)。量子比特并行性使其信息存儲(chǔ)量隨比特?cái)?shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)——當(dāng)量子比特?cái)?shù)達(dá)到250個(gè)時(shí)，其存儲(chǔ)能力已超越宇宙中已知的原子總數(shù)。

這就如同一枚高速旋轉(zhuǎn)的硬幣，既非正面也非反面，而是同時(shí)承載著所有可能性。這種量子疊加讓單個(gè)量子比特就能存儲(chǔ)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)兩個(gè)比特的信息，而當(dāng)多個(gè)量子比特糾纏在一起時(shí)，計(jì)算能力會(huì)呈指數(shù)級(jí)爆發(fā)——每增加一個(gè)量子比特，計(jì)算能力便翻倍增長(zhǎng)。

“本源悟空”的72個(gè)量子比特能同時(shí)處理272種可能性，相當(dāng)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要2萬億個(gè)存儲(chǔ)單元才能實(shí)現(xiàn)的并行計(jì)算。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理問題如同在迷宮中逐一嘗試路徑，而量子計(jì)算機(jī)則能同時(shí)探索所有可能的路徑，直接找到出口。例如，在藥物分子模擬領(lǐng)域，傳統(tǒng)超算需要數(shù)月才能窮舉所有分子組合，而量子計(jì)算機(jī)能在幾分鐘內(nèi)完成。這種能力使得量子計(jì)算機(jī)在密碼學(xué)、優(yōu)化問題和人工智能等領(lǐng)域展現(xiàn)出顛覆性的潛力。

量子計(jì)算的“加速器”

超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造鏈有多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，包括芯片、測(cè)控系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、軟件及操作系統(tǒng)等。

“大腦”——量子芯片

量子芯片是量子計(jì)算機(jī)的“大腦”，是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的核心硬件組件。簡(jiǎn)單來說，它的作用類似于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的處理器?！氨驹次蚩铡贝钶d的超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”，產(chǎn)自中國(guó)首條量子芯片生產(chǎn)線。

“指揮官”——量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)

量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)能夠提供量子芯片的運(yùn)行環(huán)境與接口，生成、采集、控制與處理量子芯片所需的精密信號(hào)，從而讓量子芯片最大程度發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。

“本源悟空”搭載了中國(guó)首個(gè)自主量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)——本源第三代量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)“本源天機(jī)”。它首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)量子芯片的批量自動(dòng)化測(cè)試，大幅提升了量子計(jì)算機(jī)整機(jī)運(yùn)行效率。

“大管家”——量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟硬件的“大管家”，也是決定其性能的關(guān)鍵?！氨驹次蚩铡贝钶d了我國(guó)首個(gè)量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)——本源司南3.0。該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了支持量子計(jì)算任務(wù)的批處理，且可將計(jì)算任務(wù)在量子計(jì)算機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行分解、調(diào)度和分配，實(shí)現(xiàn)了兩者的高效協(xié)同，從而將量子計(jì)算機(jī)的整機(jī)運(yùn)行效率提升約10倍。

自主量子芯片工業(yè)設(shè)計(jì)軟件、自主系列量子芯片工業(yè)母機(jī)、自主量子芯片生產(chǎn)線、自主量子計(jì)算測(cè)控系統(tǒng)、自主量子計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)……共同構(gòu)成了中國(guó)首條自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)制造鏈。在這里，一臺(tái)臺(tái)“本源悟空”被制造出來。

未來，量子計(jì)算可以做什么？

量子計(jì)算構(gòu)建起的新一代計(jì)算體系，在處理海量數(shù)據(jù)、并行運(yùn)算以及模擬原子、分子演進(jìn)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)越性。從模擬復(fù)雜的物理系統(tǒng)到優(yōu)化大規(guī)模的組合問題，從加速藥物研發(fā)到提升信息安全，量子計(jì)算有望為智能制造、金融分析、新材料研發(fā)、生物醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域帶來革命性轉(zhuǎn)變。

量子計(jì)算蘊(yùn)含著巨大的潛力，并逐步從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。它正與超算、智算（融合了人工智能技術(shù)的計(jì)算模式）、通算協(xié)同，構(gòu)建“四算融合”的先進(jìn)計(jì)算新模式?！氨驹次蚩铡币呀尤肷虾?、鄭州等超算中心，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算與超算的協(xié)同。這種量子計(jì)算、超算、智算、通用計(jì)算的“四算合一”體系，正推動(dòng)中國(guó)算力基礎(chǔ)設(shè)施邁向新高度！

知識(shí)鏈接

什么是摩爾定律

當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，每隔18～24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也會(huì)大幅提升。這意味著在一定的成本下，計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的運(yùn)算能力會(huì)不斷快速增強(qiáng)，而這種進(jìn)步推動(dòng)了整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，讓電子產(chǎn)品變得越來越強(qiáng)大、越來越高效，同時(shí)價(jià)格還能保持相對(duì)穩(wěn)定或逐漸降低。

（責(zé)任編輯 / 高琳" 美術(shù)編輯 / 周游）