量子计算机进入2.0时代

文 张 媛 周 强 张 扬

2021年10月，我国量子计算领域双喜临门：“祖冲之号”和“九章”的2.0升级版——“祖冲之二号”“九章二号”均成功构建。

“祖冲之二号”构建了66比特可编程超导量子计算原型机。“九章二号”则再次刷新国际光量子操纵的技术水平，处理特定问题比目前全球最快的超级计算机快10的24次方倍。这意味着，我国已成为世界上唯一在超导量子和光量子两种体系下达到“量子优越性”里程碑的国家。

几十年间，量子计算机一步步从科学家的大胆构想中走向现实。这一路经历了怎样的曲折过程？世界上至今有哪些量子计算机？“祖冲之号”和“九章”的2.0版实现了怎样的技术升级？

道阻且长，行则将至

1981年，诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出了两个富有洞察力的问题：经典计算机是否能有效模拟量子系统？舍弃经典的图灵机模型而利用具有奇特性质的量子材料，能否构建模拟量子系统的计算机？

这是人类首次提出量子计算机概念。量子计算机的时代帷幕也由此拉开。

量子计算意义深远，因为它开启了一种全新的计算模式。古希腊数学家毕达哥拉斯说，任何事情都可用数来代表。也就是说，任何问题都可以变成一个函数计算：输入一个数，通过一个模型演化运算，再输出一个数。

这个模型就像一个黑匣子，利用经典力学时就是我们现在正在使用的经典图灵机，利用量子力学时就是全新的量子计算机。

一个标准的量子计算机，通常需要具备3个基本模块：一是软件系统，即量子算法；二是量子信息控制系统，即量子电路，用来确保量子计算中可靠的底层信息处理，这相当于操作系统和编程；三是硬件体系。

三者中首先取得重大突破的是量子算法。影响最大的有两种算法：一种是诞生于1994年的舒尔（SHOR）算法，用于破解大质因数分解，可将分解5000位数字的时间从50亿年减到2分钟，在密码破译方面潜力巨大；另一种是诞生于1996年的格罗弗（GROVE）算法，即量子搜索算法，可从大量无序的对象中快速找到需要的东西，解决“最短路径搜寻”“大海捞针”等一些经典计算机很难解决的优化问题。

三者中进展最慢的是物理硬件。制备大规模量子计算机，长期以来挑战性极大，对于多个量子比特的有效测量和规模化集成更是难上加难。因为量子计算机本身就是一个矛盾体，一方面要把量子比特从环境中完全孤立出来，另一方面又要控制它们并使之相互作用。好比每个光子都有很好的量子性能，但要控制很多光子达到像一个光子那样的性能，就不是那么容易了。

“祖冲之二号”构建了66比特可编程超导量子计算原型机

科学家们一直在矛盾的“夹缝”中寻找出路。量子态是脆弱和敏感的，极易受到周围环境影响。在宏观世界中去建造一台量子比特数足够多、操控保真度足够高的量子计算机，让无形的量子服从命令，简直需要“巫师一般的魔法”。

经过科研人员几十年的不懈努力，量子计算机陆续形成，现整体处在早期发展阶段。如果类比经典计算机，大体在电子管时代，可谓“道阻且长，行则将至；行而不辍，未来可期”。

百舸争流，奋楫者先

目前，世界上都有哪些量子计算机？

根据量子比特的制备方式不同，主流的技术路径有超导量子、光量子、离子阱、半导体量子点量子以及量子拓扑等。前4种路径均已制作出量子计算原型机。

超导量子方案是最主流的路线，它用超导体做原料，最大优势在于具有可操作性和可扩展性。这使超导量子成为实现可扩展量子计算最有前景的候选方案之一。

2019年年初，IBM首先实现了基于超导系统的50位量子计算机“IBM-Q”。谷歌也是超导系统的追捧者，迅速超越IBM，于2019年9月发布53量子比特的“悬铃木”。2021年，我国可编程超导量子计算机“祖冲之号”问世，量子比特达到62个。

另一条重要路线就是光量子，原料是光。中国科学技术大学使用光量子路线，成功孕育出76个光子的量子计算原型机“九章”。

我们不妨拿光量子路线和超导量子路线比较一下：超导量子比较容易控制，光量子则要复杂得多；超导量子需要在接近绝对零度的超低温下才能确保稳定性，而光量子在室温下就能运行；超导量子能用于制作量子比特的特征比较少，光量子动起来能测量的指标比较多，比如有路径、偏振、角动量等。

同时，两者也都各有“死穴”：光量子的问题在于相互间作用很弱，很难制作纠缠态，不过一旦制成就很稳定，可理解为“门槛高天花板也高”；超导量子彼此间作用力强，容易制作纠缠态，但很不稳定。

澳大利亚西蒙斯团队使用的是硅量子点系统，微软发展的是拓扑量子比特方案，还有美国霍尼韦尔领衔的离子阱方案，以及其他更小众的方案，可谓百花齐放，各种路线各有特色和优势。

总之，当今世界各国都在集中力量和科研资源，寻找适合自己的量子计算机实现途径。百舸争流，奋楫者先；千帆竞发，勇进者胜。“祖冲之号”在超导量子赛道、“九章”在光量子赛道都成了冠军。

潜心深耕，中国作答

所谓“量子优越性”，即对于特定任务，量子计算机可以解决，而现存的任何经典计算机运用任何已知算法，都不能在一个可接受的时间内完成。

为了证明量子计算的这种“绝对优势”，可特定一个精心设计的任务，不一定具有实际价值，主要用于证实量子计算的巨大潜力，同时为之后的发展铺设道路。目前，用于演示“量子优越性”的任务，包括随机量子线路采样、玻色采样、IQP线路等。

比如，随机线路采样任务就非常适合在超导量子计算上完成。它复杂度高，经典计算很难模拟。“祖冲之号”选择“二维的量子随机行走”这一问题，证明了“量子优越性”。同理，“九章”完成的是“高斯玻色采样”任务，在光学体系中证明了“量子优越性”。

证明“量子优越性”，可以说是量子计算机研制征程上的一个里程碑。“祖冲之二号”和“九章二号”的诞生，像一对双子星，照亮了量子应用更广阔的前程。

62个量子比特的“祖冲之号”，当时已是世界上公开发表论文提到比特数最多的超导量子计算机。现今完成自我超越的“祖冲之二号”，实现了66个量子比特，又采用全新的倒装焊3D封装工艺以及可调耦合架构，解决了大规模比特集成问题，实现了比特间耦合快速、精确可调。

“祖冲之二号”对特定任务处理速度比当前最快的超级计算机快1000万倍，所完成任务的难度比谷歌“悬铃木”高2～3个数量级。

另一条路线上，“九章二号”在计算规模和复杂度上，与“九章”相比都有显著提升：“九章”构建的是76个光子、100模式的量子计算原型机；“九章二号”则成功构建了113个光子、144模式的量子计算原型机。“九章”一分钟完成的任务，超级计算机“富岳”需要花费一亿年；“九章二号”一毫秒完成的任务，“富岳”需要算上30万亿年。最重要的是，“九章二号”还具备了部分可编程能力。

潜心深耕，中国作答。在不懈的攀登中，我国已为世界提供了“中国方案”。“量子优越性”并非终点、只是起点，就像显微镜赋予了人们探寻微生物世界的途径，天文望远镜搭建了人们探索广袤星空的桥梁，量子计算机意味着对于无限广阔的未知领域，我们即将找到开启的“钥匙”。