量子計算機進入2.0時代

文 張 媛 周 強 張 揚

2021年10月，我國量子計算領域雙喜臨門：“祖沖之號”和“九章”的2.0升級版——“祖沖之二號”“九章二號”均成功構建。

“祖沖之二號”構建了66比特可編程超導量子計算原型機。“九章二號”則再次刷新國際光量子操縱的技術水平，處理特定問題比目前全球最快的超級計算機快10的24次方倍。這意味著，我國已成為世界上唯一在超導量子和光量子兩種體系下達到“量子優越性”里程碑的國家。

幾十年間，量子計算機一步步從科學家的大膽構想中走向現實。這一路經歷了怎樣的曲折過程？世界上至今有哪些量子計算機？“祖沖之號”和“九章”的2.0版實現了怎樣的技術升級？

道阻且長，行則將至

1981年，諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼提出了兩個富有洞察力的問題：經典計算機是否能有效模擬量子系統？舍棄經典的圖靈機模型而利用具有奇特性質的量子材料，能否構建模擬量子系統的計算機？

這是人類首次提出量子計算機概念。量子計算機的時代帷幕也由此拉開。

量子計算意義深遠，因為它開啟了一種全新的計算模式。古希臘數學家畢達哥拉斯說，任何事情都可用數來代表。也就是說，任何問題都可以變成一個函數計算：輸入一個數，通過一個模型演化運算，再輸出一個數。

這個模型就像一個黑匣子，利用經典力學時就是我們現在正在使用的經典圖靈機，利用量子力學時就是全新的量子計算機。

一個標準的量子計算機，通常需要具備3個基本模塊：一是軟件系統，即量子算法；二是量子信息控制系統，即量子電路，用來確保量子計算中可靠的底層信息處理，這相當于操作系統和編程；三是硬件體系。

三者中首先取得重大突破的是量子算法。影響最大的有兩種算法：一種是誕生于1994年的舒爾（SHOR）算法，用于破解大質因數分解，可將分解5000位數字的時間從50億年減到2分鐘，在密碼破譯方面潛力巨大；另一種是誕生于1996年的格羅弗（GROVE）算法，即量子搜索算法，可從大量無序的對象中快速找到需要的東西，解決“最短路徑搜尋”“大海撈針”等一些經典計算機很難解決的優化問題。

三者中進展最慢的是物理硬件。制備大規模量子計算機，長期以來挑戰性極大，對于多個量子比特的有效測量和規模化集成更是難上加難。因為量子計算機本身就是一個矛盾體，一方面要把量子比特從環境中完全孤立出來，另一方面又要控制它們并使之相互作用。好比每個光子都有很好的量子性能，但要控制很多光子達到像一個光子那樣的性能，就不是那么容易了。

“祖沖之二號”構建了66比特可編程超導量子計算原型機

科學家們一直在矛盾的“夾縫”中尋找出路。量子態是脆弱和敏感的，極易受到周圍環境影響。在宏觀世界中去建造一臺量子比特數足夠多、操控保真度足夠高的量子計算機，讓無形的量子服從命令，簡直需要“巫師一般的魔法”。

經過科研人員幾十年的不懈努力，量子計算機陸續形成，現整體處在早期發展階段。如果類比經典計算機，大體在電子管時代，可謂“道阻且長，行則將至；行而不輟，未來可期”。

百舸爭流，奮楫者先

目前，世界上都有哪些量子計算機？

根據量子比特的制備方式不同，主流的技術路徑有超導量子、光量子、離子阱、半導體量子點量子以及量子拓撲等。前4種路徑均已制作出量子計算原型機。

超導量子方案是最主流的路線，它用超導體做原料，最大優勢在于具有可操作性和可擴展性。這使超導量子成為實現可擴展量子計算最有前景的候選方案之一。

2019年年初，IBM首先實現了基于超導系統的50位量子計算機“IBM-Q”。谷歌也是超導系統的追捧者，迅速超越IBM，于2019年9月發布53量子比特的“懸鈴木”。2021年，我國可編程超導量子計算機“祖沖之號”問世，量子比特達到62個。

另一條重要路線就是光量子，原料是光。中國科學技術大學使用光量子路線，成功孕育出76個光子的量子計算原型機“九章”。

我們不妨拿光量子路線和超導量子路線比較一下：超導量子比較容易控制，光量子則要復雜得多；超導量子需要在接近絕對零度的超低溫下才能確保穩定性，而光量子在室溫下就能運行；超導量子能用于制作量子比特的特征比較少，光量子動起來能測量的指標比較多，比如有路徑、偏振、角動量等。

同時，兩者也都各有“死穴”：光量子的問題在于相互間作用很弱，很難制作糾纏態，不過一旦制成就很穩定，可理解為“門檻高天花板也高”；超導量子彼此間作用力強，容易制作糾纏態，但很不穩定。

澳大利亞西蒙斯團隊使用的是硅量子點系統，微軟發展的是拓撲量子比特方案，還有美國霍尼韋爾領銜的離子阱方案，以及其他更小眾的方案，可謂百花齊放，各種路線各有特色和優勢。

總之，當今世界各國都在集中力量和科研資源，尋找適合自己的量子計算機實現途徑。百舸爭流，奮楫者先；千帆競發，勇進者勝。“祖沖之號”在超導量子賽道、“九章”在光量子賽道都成了冠軍。

潛心深耕，中國作答

所謂“量子優越性”，即對于特定任務，量子計算機可以解決，而現存的任何經典計算機運用任何已知算法，都不能在一個可接受的時間內完成。

為了證明量子計算的這種“絕對優勢”，可特定一個精心設計的任務，不一定具有實際價值，主要用于證實量子計算的巨大潛力，同時為之后的發展鋪設道路。目前，用于演示“量子優越性”的任務，包括隨機量子線路采樣、玻色采樣、IQP線路等。

比如，隨機線路采樣任務就非常適合在超導量子計算上完成。它復雜度高，經典計算很難模擬。“祖沖之號”選擇“二維的量子隨機行走”這一問題，證明了“量子優越性”。同理，“九章”完成的是“高斯玻色采樣”任務，在光學體系中證明了“量子優越性”。

證明“量子優越性”，可以說是量子計算機研制征程上的一個里程碑。“祖沖之二號”和“九章二號”的誕生，像一對雙子星，照亮了量子應用更廣闊的前程。

62個量子比特的“祖沖之號”，當時已是世界上公開發表論文提到比特數最多的超導量子計算機。現今完成自我超越的“祖沖之二號”，實現了66個量子比特，又采用全新的倒裝焊3D封裝工藝以及可調耦合架構，解決了大規模比特集成問題，實現了比特間耦合快速、精確可調。

“祖沖之二號”對特定任務處理速度比當前最快的超級計算機快1000萬倍，所完成任務的難度比谷歌“懸鈴木”高2～3個數量級。

另一條路線上，“九章二號”在計算規模和復雜度上，與“九章”相比都有顯著提升：“九章”構建的是76個光子、100模式的量子計算原型機；“九章二號”則成功構建了113個光子、144模式的量子計算原型機。“九章”一分鐘完成的任務，超級計算機“富岳”需要花費一億年；“九章二號”一毫秒完成的任務，“富岳”需要算上30萬億年。最重要的是，“九章二號”還具備了部分可編程能力。

潛心深耕，中國作答。在不懈的攀登中，我國已為世界提供了“中國方案”。“量子優越性”并非終點、只是起點，就像顯微鏡賦予了人們探尋微生物世界的途徑，天文望遠鏡搭建了人們探索廣袤星空的橋梁，量子計算機意味著對于無限廣闊的未知領域，我們即將找到開啟的“鑰匙”。