信息海洋中的“量子快艇”

量子先鋒：“本源悟空”

當傳統計算機還在摩爾定律的盡頭徘徊時，一臺名為“本源悟空”的超導量子計算機正在中國安徽合肥的實驗室中悄然運轉。

“本源悟空”搭載了72位自主超導量子芯片，已面向全球139個國家用戶提供量子計算云服務，完成了36萬個量子計算任務。

這臺中國自主研制的第三代超導量子計算機，以《西游記》中“七十二變”的孫悟空為名，既隱喻量子疊加（詳見《知識就是力量》2023年3月刊）的無限可能，也象征著中國科技自主研發的決心——它的成功上線，標志著我國在量子計算領域的自主研發能力已達到國際領先水平，中國自主超導量子計算機制造鏈成鏈。

量子計算機為什么這么快？

比特是“二進制位”的簡稱，它只有兩種狀態，就像一個開關，要么是開的，要么是關的。在計算機中，這兩種狀態通常用數字“0”和“1”來表示。

量子比特是量子計算的基石。不同于傳統比特只能處于0或1的單一狀態，量子比特通過量子疊加原理，可同時表征0和1的疊加態。量子比特并行性使其信息存儲量隨比特數呈指數增長——當量子比特數達到250個時，其存儲能力已超越宇宙中已知的原子總數。

這就如同一枚高速旋轉的硬幣，既非正面也非反面，而是同時承載著所有可能性。這種量子疊加讓單個量子比特就能存儲傳統計算機兩個比特的信息，而當多個量子比特糾纏在一起時，計算能力會呈指數級爆發——每增加一個量子比特，計算能力便翻倍增長。

“本源悟空”的72個量子比特能同時處理272種可能性，相當于傳統計算機需要2萬億個存儲單元才能實現的并行計算。

傳統計算機處理問題如同在迷宮中逐一嘗試路徑，而量子計算機則能同時探索所有可能的路徑，直接找到出口。例如，在藥物分子模擬領域，傳統超算需要數月才能窮舉所有分子組合，而量子計算機能在幾分鐘內完成。這種能力使得量子計算機在密碼學、優化問題和人工智能等領域展現出顛覆性的潛力。

量子計算的“加速器”

超導量子計算機制造鏈有多個關鍵點，包括芯片、測控系統、制冷系統、軟件及操作系統等。

“大腦”——量子芯片

量子芯片是量子計算機的“大腦”，是實現量子計算的核心硬件組件。簡單來說，它的作用類似于傳統計算機中的處理器。“本源悟空”搭載的超導量子芯片“悟空芯”，產自中國首條量子芯片生產線。

“指揮官”——量子計算測控系統

量子計算測控系統能夠提供量子芯片的運行環境與接口，生成、采集、控制與處理量子芯片所需的精密信號，從而讓量子芯片最大程度發揮其性能優勢。

“本源悟空”搭載了中國首個自主量子計算測控系統——本源第三代量子計算測控系統“本源天機”。它首次實現了我國量子芯片的批量自動化測試，大幅提升了量子計算機整機運行效率。

“大管家”——量子計算機操作系統

操作系統是計算機軟硬件的“大管家”，也是決定其性能的關鍵。“本源悟空”搭載了我國首個量子計算機操作系統——本源司南3.0。該系統在國內率先實現了支持量子計算任務的批處理，且可將計算任務在量子計算機和超級計算機之間進行分解、調度和分配，實現了兩者的高效協同，從而將量子計算機的整機運行效率提升約10倍。

自主量子芯片工業設計軟件、自主系列量子芯片工業母機、自主量子芯片生產線、自主量子計算測控系統、自主量子計算機操作系統……共同構成了中國首條自主超導量子計算機制造鏈。在這里，一臺臺“本源悟空”被制造出來。

未來，量子計算可以做什么？

量子計算構建起的新一代計算體系，在處理海量數據、并行運算以及模擬原子、分子演進方面具有得天獨厚的優越性。從模擬復雜的物理系統到優化大規模的組合問題，從加速藥物研發到提升信息安全，量子計算有望為智能制造、金融分析、新材料研發、生物醫療、物聯網等領域帶來革命性轉變。

量子計算蘊含著巨大的潛力，并逐步從實驗室走向現實應用。它正與超算、智算（融合了人工智能技術的計算模式）、通算協同，構建“四算融合”的先進計算新模式。“本源悟空”已接入上海、鄭州等超算中心，實現量子計算與超算的協同。這種量子計算、超算、智算、通用計算的“四算合一”體系，正推動中國算力基礎設施邁向新高度！

知識鏈接

什么是摩爾定律

當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，每隔18～24個月便會增加一倍，性能也會大幅提升。這意味著在一定的成本下，計算機等電子設備的運算能力會不斷快速增強，而這種進步推動了整個信息技術產業的高速發展，讓電子產品變得越來越強大、越來越高效，同時價格還能保持相對穩定或逐漸降低。

（責任編輯 / 高琳" 美術編輯 / 周游）