量子计算机发展：现状、潜力与挑战

量子计算机发展：现状、潜力与挑战

量子计算机，这个曾经只存在于科幻想象中的技术奇迹，如今正一步步从理论的云端走向现实的大地。中国的第三代自主超导量子计算机“本源悟空”也已经问世，这一成果凝聚着众多科研人员的心血。本文将带您全面了解量子计算机的发展历程、原理特性、技术研发路径、全球布局以及应用现状和未来发展趋势。

量子计算机，这个曾经只存在于科幻想象中的技术奇迹，如今正一步步从理论的云端走向现实的大地，并且在持续的迭代发展中逐渐展现出其极具颠覆性的计算潜能。在量子的奇妙世界里，有一个令人惊叹的现象：一个量子比特竟然可以同时存储0和1这两个数。这就如同在传统的数字世界里打开了一扇全新的大门。

中国的第三代自主超导量子计算机“本源悟空”也已经问世。这一成果凝聚着众多科研人员的心血。量子力学，无疑是20世纪以来科学领域最重要的进展之一。随着第一次量子科技革命的推进，量子信息科学也迎来了快速发展的新纪元。进入21世纪，第二次量子科技革命浪潮汹涌而至，量子计算、量子通信、量子测量等一批新兴技术如同春笋般破土而出，它们极大地改变并提升了人类获取、传输和处理信息的方式与能力。我们可以做这样一个比喻，如果把量子科技比作一架翱翔天际的“飞机”，那么量子计算就如同飞机的“发动机”，是提供强大动力的核心；量子通信就像飞机的“无线电”，保障信息的安全传输；量子测量则恰似飞机的“雷达”，精准探测各种信息。量子计算借助量子技术来获取更为强大的计算能力，量子通信利用量子技术实现更安全可靠的通信，量子测量依靠量子技术达到更精准的测量效果。量子计算的发展源头可以追溯到上个世纪80年代，当时物理学家理查德·费曼首次提出了量子模拟的概念。此后，科学家们通过一系列的验证性实验，论证了量子计算的可行性，并且指出量子计算机能够解决那些电子计算机（经典计算机）难以应对的问题。在随后的数十年间，理论物理学家们不断地夯实量子计算的理论基石，诸如量子比特的引入，以及量子叠加态和量子纠缠等特性的揭示。1994年，彼得·肖尔提出的肖尔算法以及洛夫·格罗弗的格罗弗量子搜索算法，更加充分地展示了量子计算机在解决特定问题时的高效性。

工作人员在量子芯片生产线进行操作，每一个环节都关乎着量子计算机的未来发展。相较于经典计算机，量子计算机有着独特的特性。经典的比特只有0和1两种状态，而且在同一时刻只能处于其中一种状态；而两能级的量子比特却能够处于0态和1态的叠加态，就像一个神奇的容器，可以同时容纳0和1这两个数字。另外，多个经典比特之间是相互独立的，而量子比特之间则构成了一个复合系统。这些特性使得量子计算机相比经典计算机具备两个显著的优势：其一，量子计算机的信息存储量会随着比特数的增加呈指数级增长，理论上当比特数足够多（例如达到250个）时，量子计算机能够存储的数据量甚至会超过宇宙中所有原子的数目；其二，量子计算机是对量子比特构成的整个复合系统进行操作，这可以理解为一种原理上的“并行计算”，这是经典计算机望尘莫及的。从概念逐渐走向实践应用的量子计算机正在不断发展。

当前，量子计算的新技术研究路径尚未确定，主要有超导、离子阱、光量子、量子点、冷原子等方向。从技术研发的角度来看，超导路线吸引了最多的研究者追随。基于超导量子位的量子计算是最早被提出和研究的量子计算实现方法。它以具备超导性能的材料为基础，通过电荷量子比特、磁通量子比特和相位量子比特这三种方式来构建量子比特。超导量子比特在操控、耦合、测量、扩展等方面具有明显的优势。在过去的几十年里，超导量子计算取得了一定的发展，实现了与量子态所需精度相当的高精度控制、微波单光子状态的制备等重要技术。然而，超导技术路线也存在缺点，它容易受到环境噪声的影响，从而导致退相干时间变短，进而增加了量子比特的操作难度。目前，国际商业机器公司（IBM）开发的超导量子芯片比特数量已经进入千位时代，并且在全球已经部署了70余台量子计算机。中国的第三代自主超导量子计算机“本源悟空”拥有72个计算量子比特，已经完成了137个国家用户的30万个量子计算任务。在其他研究路径方面，各个路径也都有各自的优势，都在稳步推进研究工作。量子计算机的研发是一项极为复杂的任务。以超导量子计算机为例，量子计算机主要包含量子芯片、量子计算测控系统、低温制冷系统、量子计算机操作系统、应用软件等多个组成部分。

量子芯片作为量子计算机的“心脏”，承担着执行关键运算加速过程的重任。这个过程需要将问题转化为量子算法，然后通过特殊的调制脉冲信号输入量子芯片，最后采集并分析量子芯片输出的信号来得到问题的答案。但是，量子芯片的高效运行并非孤立的，它需要一个完善的硬件系统来提供支持，包括量子芯片封装技术、量子芯片测试平台以及量子测控系统、相关元器件等。其中，量子芯片测试平台由极低温稀释制冷机及配套设施构成，它为量子芯片提供接近绝对零度的极低温环境、红外辐射噪声屏蔽、磁场噪声屏蔽和极低的机械振动等高度隔离的运行条件，同时还需要高效率的导热组件来及时带走量子芯片运行时产生的热量。量子计算测控系统负责量子芯片所需信号的生成、采集、控制与处理，它就像是一位精通量子语言的“翻译官”，能够把人类世界的复杂问题转化为量子芯片能够理解的“语言”，引导量子芯片进行高效的计算。在软件技术方面，量子计算机同样需要一套完整的软件系统来保障其运行，包括量子计算机操作系统、量子语言编译器、量子应用软件以及量子计算机集成开发环境等。这些软件系统不仅为用户提供量子程序的编程和操作界面，还需要与硬件对接，将程序转换为硬件所需的指令信号，以确保量子计算机能够高效、准确地执行各种计算任务。从全球布局来看，美国和欧洲是量子产业生态最为活跃的地区，欧美国家的量子企业聚集度较高，在全球占比超过60%。国际商业机器公司（IBM）作为全球量子计算领域的领跑者，在2023年12月发布了1121比特量子处理器Condor，并且推出了首款模块化量子计算机IBM Quantum System Two。近期，美国谷歌公司开发的一款量子芯片Willow，首次实现了“低于阈值”的量子计算，即在扩展量子比特数量时能够降低误差率，这是量子计算领域的一个重要里程碑。加拿大、日本、中国的量子计算团队也在朝着几百、上千比特的目标迅速迭代。本源量子于2024年1月上线了“本源悟空”超导量子计算机，其搭载的量子芯片由72个计算比特和126个耦合比特构成。量子计算与超级计算、智能计算的融合发展正在成为现实。全球主要国家正在加快布局建立量子经典协同计算平台。2023年，国际商业机器公司（IBM）在加拿大、西班牙的超算中心部署了127比特量子计算机。欧盟将6台高性能量子计算机集成到捷克、法国、德国、意大利、波兰和西班牙的各个超算中心，组成了欧洲的量子计算网络。日本理化学研究所（RIKEN）在日本产的64比特超导量子计算机和超级计算机“富岳”之间建立了通信链路。2024年，“本源悟空”成功接入上海超算中心、国家超算郑州中心、长三角枢纽芜湖集群，在软件层面实现了不同算力的弱耦合。合肥先算中心率先在国内启动超量融合中心建设，即将试点部署真实量子计算机。各国都在积极发展应用生态，“量子实用”随时都有可能爆发。全球有超过100个企业案例活跃在能源、医疗保健、金融、汽车、航空航天、物流等行业。国际商业机器公司（IBM）的研究表明，利用量子经典协同工作，100 + 比特量子计算机可以探索化学、材料领域的实用级问题，并与化工、汽车、能源、航空等领域的众多合作者迅速推进应用，行业内预测量子计算产生商业价值的时间大大提前。实用化量子计算机的发展可以划分为三个阶段。第一阶段是实现量子计算优越性的实验室阶段。当前的超级计算机在求解某些特定的海量数据、高复杂度问题时已经力不从心，如果能够研制出50到100个逻辑量子比特的高精度专用量子计算机，就可以在这类问题上充分展示其“量子优越性”，实现高效率求解。第二阶段是寻求在某些特定领域实用价值的展现。这一阶段意味着量子计算机已经开始走出实验室，开启应用探索之旅，尽管此时量子逻辑比特数只有100左右，但其运算能力已经超过任何超级计算机，量子计算机正步入早期工业阶段。第三阶段是研制可编程的通用量子计算机。可编程的量子计算机能够在多种场景下应用，其量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力都将得到大幅提升。现阶段发展最快的超导量子计算机正处于第二阶段，已经在金融、材料科学、药物设计等领域展现出广泛的应用前景。超导量子计算机“本源悟空”已经在特定领域上线了多款量子计算真机应用，例如金融领域的投资组合优化应用、生物医药领域的分子对接应用等。量子计算目前正处于“含噪声的中等规模量子”阶段，如何在较高“噪声”环境下运行成为量子计算机面临的一道难题。能够适应通用场景下的容错量子计算机尚未研制成功。未来5年，全球将进入“量 - 超 - 智”三算融合时代。量子计算、超级计算和智能计算协同完成运算任务，这就是“量 - 超 - 智”融合。如果把普通计算机比作“自行车”，那么带有人工智能的智能算力就像是一列“高铁”，而量子计算机则如同一架“飞机”，三者协同将是未来算力的终极形态。

本文全面地介绍了量子计算机的发展情况，包括其理论起源、独特性质、研发构成、全球发展布局以及应用发展阶段等内容，同时也指出了当前量子计算机面临的挑战，如在高噪声环境下运行和容错量子计算机尚未研制成功等，最后展望了未来量子计算与超级计算、智能计算融合的趋势。