“半导体量子芯片”首席科学家郭国平：为中国“量子算力”奋斗

代群 徐海涛 陈诺

众所周知，量子计算机的研制是世界难题，全球最聪明的脑袋都在为研制出可用的量子计算机而上下求索。然而，郭国平注意到，国内对量子计算的研究还停留在学校和科研院所的实验阶段，缺乏对科研技术市场产业化的考量。

单比特、两比特、三比特、六比特……比特数增长的每一步，对中国科学技术大学教授、国家重大研究计划“半导体量子芯片”首席科学家郭国平与团队来说，都是量子计算研究领域的一大步。他们多年追逐量子中国梦，实现零的突破，跟上国际先进科研机构的节奏。

在郭国平看来，量子计算机的研制、开发和应用是一项意义重大的“科学技术工程”，它既包括基础原理的研究和论证，也需要大量的工程技术积累，并且随着时间的推移，工程技术工作所占的比率和重要性都会迅速增大——比如芯片和计算机架构、半导体工艺、微电子工程技术、量子算法和量子软件等多方面对量子计算机的研制都很重要。

郭国平说，研究量子计算就像“用一个一个原子垒起一座金字塔”一样难，但为了中国早日有“量子算力”，他愿为此奋斗终生。

一位“科技青年”的报国理想

在蒸汽机时代，马力就是国力；在信息时代，算力就是国力。

中国，一定要有自己的“量子算力”！15年前，一位在国内接触量子算力的大学生开始萌发心中的理想。

1977年出生的郭国平是江西南昌人，1996年考入中科大。在这里，他接触到著名量子信息学家郭光灿的研究团队，开始学习量子光学，从事量子通信及量子信息器件研究。

2005年，郭国平因为量子通信科研成果获得中科院院长特别奖，同年获得中科大博士学位并留校。但是，他做出了一个“很傻”的决定，放弃已经做得风生水起的量子通信研究，改做量子计算。

20世纪80年代，诺贝尔奖获得者理查德？费曼等人提出构想，基于两个奇特的量子特性——量子叠加和量子纠缠构建“量子计算”。相较于电子计算机，量子计算机理论上的运算能力将有几何级数的增长，被认为是下一代信息革命的关键动力。

“那时候我被认为是‘愣头青。量子计算当时在国内的基础近乎空白，与先发国家差距巨大，研究很花钱，又难出论文。”郭国平说，他愿做“愣头青”，因为“这个东西对国家太重要了”。

从芯片设计到纳米加工、檢测、软件编程，量子计算机涉及物理、机械、软件等多个学科。在导师支持下，郭国平建立了半导体量子芯片研究组，竞争国际量子计算的制高点。

经过艰苦努力，研究组在国内首次实验实现了量子霍尔效应，并先后实现了基于半导体的单比特、两比特、三比特量子计算。

为国之算力聚集量子团队

近年来，量子计算研究进展迅速，但产业发展刚起步。“由于缺乏对口的企业，我们早期毕业的博士生可谓‘毕业就失业。”郭国平的第一个博士生张辉说，他毕业后在上海从事金融相关的工作。

人才的流失、产业的缺位，让郭国平坐不住了。

2017年，40岁的郭国平驶上了又一段人生新航道，在实验室里二次创业办起公司——合肥本源量子计算科技有限责任公司。“本源量子”寓意“量子技术追溯科技本源”。

在郭国平看来，量子计算机的研制、开发和应用是一项意义重大的“科学技术工程”，它既包括基础原理的研究和论证，也需要大量的工程技术积累，并且随着时间的推移，工程技术工作所占的比率和重要性都会迅速增大——比如芯片和计算机架构、半导体工艺、微电子工程技术、量子算法和量子软件等多方面对量子计算机的研制都很重要。

“这些看似工程技术性质的问题，反过来可能又需要从基本理论方面进行创新才能解决。所以，这一项大工程需要多种不同学科、不同产业方向的融合与协作、共同努力，单靠学校实验室科研团队的努力是不够的，还需要企业这样可以通力解决技术和工程难题的主体存在。”郭国平认为，企业的介入可以让工程技术团队与基础科学研究团队共同工作协调攻关，将极大地推动量子计算机的研制速度和效率。“正因如此，才有了国内首家主营量子计算机的研制、开发和应用业务的公司——本源量子。”

“本源创立之初就是肩负国家使命和个人的情怀理想。我们希望在量子计算上，能够为国家抢到足够多的核心专利，让中国能够在全球量子计算科研领域占有一席之地，能够紧跟国际领先的科技步伐。”郭国平说。

公司初创期间，资金匮乏时，郭国平卖掉自己的一套房子保住公司；公司走上正轨后，郭国平名下股份估值近亿元人民币，他将这些股份无偿分给研发团队的年轻人。

如同一颗磁石，本源吸引来了投资，更吸引了一批与张辉一样的量子专业毕业生回归。团队从2017年的10余人，到如今的上百人，研发人员占比超过75%，研究生学历人才超40%。

“人才是本源量子最大的优势，也是量子计算领域最重要的资源。量子力学有两个概念叫‘纠缠和‘相干，我跟学生说，你们现在散落在全球各个地方，有一天我们会‘再纠缠，永相干，希望你们都能‘若有战，召必回。”郭国平说。

目前，量子计算正在经历早期应用飞速发展的阶段，在本源量子成立三年的时间里，郭国平感受到，人们对量子计算的兴趣愈发浓厚。去年9月，在郭国平带领下，团队自主研发六比特超导量子计算云平台正式上线，全球用户可以在线体验来自中国的量子计算服务。

现在没有真正意义上的量子计算机

量子计算突破了摩尔定律？对此，郭国平认为摩尔定律是一个经济学定律，而且描述的是集成电路的一个发展规律。量子不是靠硬件上的叠加或者是并行来实现的，所以它们不是同一个东西。当然量子里面也会有它自身的一些定律。

在他看来，“量子计算之所以神奇，或者说我之所以认为它是一门学科，是源于它的物理学基础，即量子态的特性。以一个比特为例，在量子里面，这一个比特可以处于0和1任意比例叠加的状态，相位也是可以调控的状态。在经典计算的一个比特中，它只能够处于0或者是1。而在量子里面，一个比特可以有一半的机率是0，另外一半的机率是1。这也是可以把量子的原理和薛定谔的猫联系在一起的原因。量子力学、量子计算的优越性，在于量子叠加的状态。量子纠缠其实也是多比特的量子态叠加的结果，量子叠加才是根本性质。”

郭国平认为，现在没有真正意义上的量子计算机。在经典计算机里面，我们大多数讨论的是物理比特，但是真正的量子计算机实际上是逻辑比特。逻辑比特跟物理比特的差距就是，物理比特是会有错误率的，比如说万分之一，甚至是千分之一。用一个或多个物理比特编码才能够形成真正的比特，也就是逻辑比特。所以从这个概念来看，目前无论是国内、国外，他们做的基本上还是停留在物理比特的阶段，当然现在已经在尝试逻辑比特。所以，我们说，现在还没有真正的量子计算机。

永不言弃

切割硅基板、在长宽不到一厘米的芯片板上焊线、芯片样品检测分析……出自郭国平团队之手的第一代超导量子芯片被命名为“夸父”。逐梦的故事每天都在上演。

这几年，哪怕是节假日，郭国平不是在实验室，就是在去往實验室的路上。在他看来，如今每一分每一秒都弥足珍贵。目前，世界多国在研制量子计算机，这是一条无形的赛道，都在朝着实现通用型量子计算机的目标努力。

量子计算机目前遇到的问题除了制造上的难度，还在于现在人们为量子计算机编写的应用程序太少。郭国平认为，持续为量子计算机设计算法、编写程序，是推动量子计算机广泛应用的一个不可或缺的因素。因此，本源量子提供“应用定制服务”，为各行业的应用进行“量子赋能”。

“我们提供的定制化应用可以在任何量子计算机上运行，一旦量子计算机生产成功，各行业就可立即将应用对接，享受量子计算机带来的强大计算能力。”郭国平说，本源量子计划与学术界、产业界等合作，培育一批面向各行业的量子计算时代的量子软、硬件开发者，共同建立和拓展量子计算产业生态圈。

合力，此时显得尤为迫切。郭国平觉得，量子计算机的研发，需要多种不同学科、不同产业方向的融合协作，全社会的共同努力。只有越来越多不同行业的企业加入研发，才能让量子计算有更多应用场景，从而极大地推动量子计算机的研制效率。基于这一初衷，本源量子构建了量子计算产业联盟，与金融、生物制药、化学材料、人工智能等产业开展合作。

“我相信，量子计算最终可以服务于我们的衣、食、住、行、医。”谈及未来，郭国平眼里有光：量子计算能够扩展科学界对分子结构和特性进行模拟的能力，有望为新一代药物和疫苗研发、新材料的设计、智能制造等模拟设计提供更强大的工具。

目前，他们已在研发下一代超导量子芯片与量子计算机控制系统，预计今年推出第二代20比特的“悟源”超导量子计算机，未来两年内实现50比特到100比特的量子计算机。

“我们目前取得的成绩，只是‘万里长征走出的一小步。”郭国平说。“但是，正如蒸汽机第一次被装在马车上，谁能想到它孕育着改变世界的力量。”