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量子计算机

2024年1月6日，中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”在本源量子计算科技（合肥）股份有限公司（简称本源量子）上线运行。该量子计算机搭载72位自主超导量子芯片“悟空芯”，是目前我国最先进的可编程、可交付超导量子计算机。

“本源悟空”匹配了本源第三代量子计算测控系统“本源天机”，在国内首次真正落地了量子芯片的批量自动化测试，量子计算机的整机运行效率提升了数十倍。“悟空”搭载的是72位超导量子芯片“悟空芯”。这款芯片在中国首条量子芯片生产线上制造，共有198个量子比特，其中包含72个工作量子比特和126个耦合器量子比特。

目前，本源量子第一代、第二代超导量子计算机均已交付中国用户使用。本源量子拥有中国首条量子芯片生产线、中国首款量子计算机操作系统、中国首个量子计算测控系统。本源量子计算专利数排名中国第一、全球第六。

量子计算和量子计算机，是科学界和企业界的大热门，五花八门的新闻标题和成果展示，让人眼花缭乱。

今天，就让我们以超导量子计算为例，教大家“五分钟看清量子计算含金量”。

为什么选超导量子计算机？换个角度，为什么谷歌“悬铃木”，“祖冲之号”还有IBM的量子计算机都是超导计算机？

那是因为超导量子计算机具有可扩展性、稳定性等优点，被认为是目前实现大规模量子计算的最有希望的技术路径之一。也就是说，因为有比较稳定的工程技术支持，科学家可以更快的在这个领域发展技术，再进一步推动工程的发展。

不过这并不代表光量子计算，离子阱量子计算就没有研究前景，作为量子计算的不同赛道，他们都将展现不同的实力。

第一台计算机诞生虽然只有不到百年，但它凭借强大的计算能力成为推动人类文明飞速发展的重要工具。以前的理论物理学家可以在火车上推算完一个重要理论，现在他们离开计算机就很难做到了，我们的日常生活也早已离不开它。

说到底，计算的本质是信息的改变和处理。我们输入一些东西，最后电脑输出给我们一些东西。信息发生了改变，计算就发生了。

而强大的计算功能，离不开算法和算力。

算法（Algorithm）是指解题方案的准确而完整的描述，是一系列解决问题的清晰指令，算法代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制。

算力（Computility）是计算机设备或计算/数据中心处理信息的能力，是计算机硬件和软件配合共同执行某种计算需求的能力。

也就是说，计算机要知道怎么算这个问题，还能很快的算出来，这个计算机对我们而言才是有意义的。

经典计算和量子计算系出同源，都是遵循图灵机原则的计算机。经典计算机的CPU由晶体管组成，用电流表达0和1；超导量子计算机用的则是超导材料中的电子形成的超导态。

在算法中，“门”是一个非常重要的概念，无论是经典计算还是超导量子计算都有“门”。最简单的门是“非门”：我们输入一个0，输出一个1。还有“与非门”和其它的各种门，在超导量子计算机中，门是以量子比特为基础构成的，有单量子比特门和双量子比特门等。

而超导量子计算机的算力靠的就是量子比特之间的纠缠了。相互纠缠的量子数越多，量子芯片（QPU）的计算能力就越强。

如果说量子芯片是一块土地，量子比特就是一座座建筑物（职能部门）。量子纠缠就是连接量子比特之间的道路。联通越多，职能部门之间的互动就越紧密，“城市”活力就越强，“文明”也就出现了！在物理学中，我们把纠缠程度最高的称之为真多体纠缠体系——我们把一个多体系统任意划分为两部分，不论如何划分，划分后的两部分之间都存在纠缠。

当然，如果在一个量子计算系统中，有两个量子比特发生了纠缠，而其他没有发生纠缠，你仍然可以宣称这是一个“纠缠体系”，但是计算能力肯定就大打折扣了。

聪明的读者们，你们现在肯定知道如何分辨量子计算机的“含金量”了吧，请认准真·纠缠！

当然，在真·多体纠缠系统中，还有不同的纠缠方式。比如一维簇态，就像贪吃蛇一样，从第一个“建筑”一直连接到最后一座“建筑”。这种纠缠方式相对简单，特点是纠缠的粒子数越多，对保真度的要求就更高。

还有一种二维簇态，量子比特之间两两纠缠，形成了像网一样的连接方式。优点是有更多的算法选择，但是对“搭建”的要求比较高。

真多体纠缠是最强形式的量子纠缠，同时，也很难实现。

不仅制备难度高——需要对大规模的量子体系具有极高的操控水平，还要保证对纠缠态的验证——对于如此复杂而精微的纠缠结构，我们如何才能知道我们真的实现了真纠缠呢。所以，实现的难度很大。

不过，要是因为困难就放弃，青年科学工作者们的头发不就白掉了吗？中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与北京大学袁骁合作，研发出了真纠缠制备和探测手段，演示了基于测量的量子计算，把上面几个难关一举攻克！

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06195-1

前面提到，大部分量子计算的算法是基于门实现的，量子比特们通过不同的“门”，一步步完成科学家设定的算法，得到最终结果。基于测量的量子计算就很标新立异了，“门”被撤掉，量子比特们随机塌缩，走向不同的“人生”关卡，科学家通过巧妙的设置，最终制备和验证了51量子比特的一维簇态和30量子比特的二维簇态，并且基于所制备的簇态，成功地原理性演示了基于测量的变分量子计算算法。

多项超导量子计算机的世界纪录同时被打破！

进一步了解这一工作进展，推荐阅读“墨子沙龙”今日二条的科普文章《刷新量子纠缠纪录：实现51量子比特的真纠缠》。

最后，插播一个关于算法的小知识，世界上第一个程序员是一位女性——艾达·洛夫莱斯，虽然她的父亲拜伦十分有名，不过她其实是由母亲——一位显赫的贵族夫人抚养长大的。她是第一位主张计算机不只可以算数，还可以解决问题的数学家。她在笔记中详细说明了使用巴贝奇的机械分析机计算伯努利数的方法，这一算法被认为是世界上第一个计算机程序。

可惜的是，这位程序员最终因为生育造成的子宫癌英年早逝。但是她对计算机的发展做出的贡献，值得我们铭记！

阿基米德说过，

 “给我一根杠杆，我能撬动地球。”

那么问题来了：

为了承受地球的重量，

这根杠杆得多粗多长？

同样的道理，

在计算机科学家眼中，

给他一台传统计算机，

就能对一切任务进行运算。

只不过有些任务比较复杂，

运算时间有点儿长。

所以，从实践的角度讲，

传统计算机不是无所不能的。

在执行某些特殊任务时，

（比如令科学家头疼的NP问题）

它是“臣妾做不到的”。

 2010年，MIT的计算机科学家

阿伦森和阿尔希波夫提出，

在一种类似于高尔顿板的

量子光学系统中，

进行“玻色采样”的任务，

传统计算机就搞不定。

在这种量子光学系统中，

光子就相当于弹珠，

多光子干涉仪相当于钉板，

单光子探测器负责查看

光子从哪个口子跑出来。

玻色采样看似是个普通问题，

可一旦牵扯到量子力学，

很多违反直觉的幺蛾子，

突然就冒出来了！

玻色采样中的幺蛾子

幺蛾子一：波粒二象性

在量子力学中，

光子既是一种粒子，

又是一种波。

一束波遇到障碍之后，

既会透射，又会反射，

所以，光子遇到分束器时，

既会透射，又会反射，

会同时从两侧跑出来。

幺蛾子二：不可区分性

两个光子的情况就更复杂了。

首先，两个光子可能完全一样，

你根本区分不了谁是谁。

幺蛾子三：多光子干涉

在同时经过分束器的时候，

两个光子的分身们，

有可能会相互叠加，

也有可能会相互抵消，

最终结果很难一句话说明白。

幺蛾子四：采样时波函数坍缩

当光子遇到出口的探测器时，

就会突然收起波动性，

展现出最初的粒子性。

一开始有两个光子进来，

最后只能让两个光子出去，

其余的“分身们”都必须消失，

这就是量子力学中的波函数坍缩。

总之，玻色采样，

就是N光子跑进去，

又随机从其中N个出口

跑出来的过程，

全部归量子力学管。

阿伦森和阿尔希波夫证明，

用传统计算机解决这个量子问题，

采样的时间会非常长。

如果一共有N个光子参与实验，

传统计算机的采样时间，

就会呈N^2×2^N的规律增加，

比直接做玻色采样实验慢得多。

如果量子光学实验设计得合理，

肯定比传统计算机的速度快。

所以，

这个实验装置本身，

可以称之为一种光量子计算机。

而它“计算”的内容，

正是对输出光子的分布进行采样。

如果光子的数量达到50个，

在传统计算机看来，

计算量就会增加到3百亿亿次！

即使你用上目前的超级计算机，

都不可能很快完成一次玻色采样，

只能直接在装置上做实验。

这就是一种“量子优越性”。

实验装置说起来容易，

但实现起来却十分困难。

比如，怎样才能干净利落地

产生单个光子？

怎样让产生的光子不可区分？

怎样才能降低玻色采样的损耗？

2017年5月，这些难题

被中科大潘建伟、陆朝阳研究组攻克了。

如果利用这个装置

对三个光子进行玻色采样，

采集一个样本只需要0.2毫秒。

同样的任务，

如果由世界上第一台传统计算机

 ENIAC通过计算完成，

则至少需要44毫秒。

可以说，在这个特定的任务上，

量子计算机获得了胜利。

跟国际上其他同行类似的实验相比，

这个速度也快了24000倍。

不过，目前这个装置，

只尝试了5个光子的实验。

若想秒杀超级计算机，

开展50个光子的实验，

科学家还需要努力。

况且，玻色采样装置，

只能做玻色采样，

无法执行其他计算任务，

是一种非通用的量子计算机。

不过，造出玻色采样装置，

也为制造通用量子计算机

扫清了重要的技术障碍。

因为高品质单光子源，

高效率干涉仪，

都是它通用的最核心部件。

除了光学装置之外，

科学家还借助很多手段，

尝试实现量子计算。

例如离子阱、核磁共振、

量子点、核自旋和超导等等。

2017年3月，

朱晓波、王浩华

和陆朝阳、潘建伟合作，

利用超导的方法，

制作了一个量子处理器，

还让10个量子比特

形成了量子纠缠。

在这个超导量子处理器中，

电磁波有两种能量不同状态。

一种状态表示比特0，

一种状态表示比特1。

根据量子力学的原理，

超导电路可以处于，

既是0又是1的叠加状态，

这就是传说中的量子比特。

量子计算机的优势是，

当它有N个量子比特时，

由于状态相互叠加，

它最多可以同时处理

2^N个状态！

不过，量子比特越多，

制造难度就越大。

在此之前，

科学家在超导量子计算中，

只能完全操控9个量子比特。

在这个超导量子处理器中，

中国科学家做到了

让10个量子比特形成了

最大程度的纠缠态。

一个计算机的运算过程，

就是操纵比特的过程。

让10个量子比特产生纠缠，

说明中国科学家

能够完全操控这10个量子比特。

这两个量子计算机的成果，

让中国科学家们

在通向更高级的量子计算的路上，

迈出了重要的不可或缺的一步。

在未来，

要想用上实用的量子计算机，

我们还有很多路要走。

期待那一天早日到来！

量子计算机，开启中国速度
比人类历史上第一台电子管计算机和晶体管计算机运行速度快10—100倍

 
　　3日，科研人员在中科院量子信息和量子科技创新研究院上海实验室内调整操作台上的激光干扰器。 新华社记者 方 喆摄

日前，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳教授、朱晓波教授等，联合浙江大学王浩华教授研究组，在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了系列突破性进展。3日，该研究团队正式发布了这一系列研究成果。

潘建伟在现场宣布，在光学体系，研究团队在去年首次实现十光子纠缠操纵的基础上，利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机。

在超导体系，研究团队打破了之前由谷歌、NASA（美国国家航空航天局）和UCSB（加州大学圣塔芭芭拉分校）公开报道的9个超导量子比特的操纵，实现了目前世界上最大数目（10个）超导量子比特的纠缠，并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法。

系列成果已发表在国际权威学术期刊《自然光子学》，即将发表在《物理评论快报》上。

传统电子计算机要算15万年的难题，量子计算机只需1秒

1981年，美国物理学家费曼指出，由于量子系统具有天然的并行处理能力，用它所实现的计算机很可能会远远超越经典计算机。1994年，麻省理工学院的Peter Shor教授提出分解大质因数的高效量子算法，量子计算引发了世界各国的强烈兴趣。

“由于量子比特是0和1的叠加态，在原理上具有超快的并行计算和模拟能力，计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长。这一特点使得量子计算可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。”潘建伟说，“比如，300位10进制那么长数，用我们目前万亿次的传统电子计算机拿来算的话，大概需要算15万年。但如果能够造出一台量子计算机，它计算的频率也是万亿次的话，只需要1秒钟就可以算完。从这个角度上讲，量子的并行计算能力是非常强大的。”

　此外，一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力可超过超级计算机。

那哪些算特定问题呢？

朱晓波说：“比如说大数字分解，这个是用于现在加密的一个标准的算法。那么你如果能解一个大数字分解，就能解密现在很多的加密算法。如果很多加密算法都失效了，国家金融安全、军事安全等都会受到严重影响。还有，量子计算机做到一定规模之后，很有可能实现大数据的快速搜索，以后在解决搜索问题的时候就具有巨大的优势。”

据专家介绍，根据各物理体系内在优势及其在实现多粒子相干操纵和纠缠方面的发展现状和潜力，目前，国际学术界在基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算技术发展上总体较为领先。

研究仍处早期，我国计划在年底实现大约20个光量子比特的操纵

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的核心资源，一直是国际角逐的焦点。在光子体系，潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平，并于2016年底把纪录刷新至十光子纠缠。在此基础上，团队此次利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，通过电控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。

潘建伟说：“实验测试表明，该原型机的‘玻色取样’速度不仅比国际同行类似的之前所有实验加快至少2.4万倍，同时，通过和经典算法比较，也比人类历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和第一台晶体管计算机（TRADIC）运行速度快10—100倍。”

这是历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟机，为最终实现超越经典超级计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。

“量子计算领域有几个大家共同努力的指标性节点：第一，展示超越首台电子计算机的计算能力；第二，展示超越商用CPU的计算能力；第三，展示超越超级计算机的计算能力。我们实现的只是其中的第一步，也是一小步，但是是重要的一步。”潘建伟说。

“朝着这个目标，我们研究团队将计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵，将接近目前最好的商用CPU。”陆朝阳说。

但由于高精度量子操控技术的极端复杂性，目前量子计算研究仍处于早期发展阶段。“像经典计算机那样具有通用功能的量子计算机最终能否研制成功，对整个科学界还是个未知数。”潘建伟说。

在信息安全、医学检测、导航等方面，量子技术未来将极大地改变生活

随着大数据时代的到来，对计算能力的需求可以用一个词来形容，就叫做“贪得无厌”。同时，计算能力的强弱也对社会的发展起着至关重要的作用。当人们能够把数据里面有效的数据结果都通过计算给提取出来的话，每一个数据才会成为真正的财富。

谈到量子计算机未来的应用前景，潘建伟充满信心：“我认为量子技术领域目前主要有几个方面离实用非常近：量子通信主要是用在保密方面，它可以大大提高信息安全水平。除此之外，量子计算可能很快在某些特定计算方面超越目前传统的超级计算。这些技术在医学检测、药物设计、基因分析、各种导航等方面也将起到巨大的作用，会给我们的生活带来极大的改变。比如，我们现在的天气预报只能预报几天，因为如果要预报第六天、第七天，计算的时间可能需要100天，而100天后再来预测第六七天的天气就没什么意义了。”

据潘建伟介绍，在我国即将启动的量子通信和量子计算机的重大项目里，对光、超导、超冷原子等方向上都已经做了相应的布局。

“在以后的10到15年里，量子技术领域的竞争将是非常激烈的。比如英国启动了国家量子技术专项、欧盟启动了量子旗舰专项、美国在论证相应的计划。包括谷歌、IBM、微软等在内的一些美国公司也都介入到相关研发了。”潘建伟说。

■延伸阅读

　　多个状态同时叠加 不可分割不可克隆

　　量子世界里，真的很神秘

量子是什么？量子是最小的、不可再分割的能量单位。这个概念诞生于1900年，物理学家普朗克在德国物理学会上公布了他的成果，成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。

分子、原子、电子，其实都是量子的不同表现形式。可以说，我们的世界是由量子组成的。

中国科学技术大学教授朱晓波说，在宏观世界里，物体的位置、速度等运动规律，都可以通过牛顿力学精确地测算。但在量子微观世界里，有着与宏观世界截然不同的规则。

量子的神秘之处首先体现在它的“状态”。在宏观世界里，任何一个物体在某一时刻有着确定的状态和确定的位置。但在微观世界里，量子却同时处于多种状态和多个位置的“叠加”。

量子力学的开创者之一、奥地利物理学家薛定谔曾用一只猫来比喻量子态叠加：箱子里有一只猫，在宏观世界中它要么是活的，要么是死的。但如果在量子世界中，它同时处于生和死两种状态的叠加。

量子的状态还经不起“看”。也就是说，如果你去测量一个量子，那么它就会从多个状态、多个位置，变成一个确定的状态和一个确定的位置。如果你打开“薛定谔的箱子”，猫的叠加状态就会消失，你会看到一只活猫或一只死猫。

如果说一个量子已经很“奇怪”，那么当两个量子“纠缠”在一起，那种不确定性更强了。根据量子力学理论，如果两个量子之间形成了“纠缠态”，那么无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个量子也会超光速“瞬间”发生如同心灵感应的变化。

虽然直至今天，人类仍然还没搞清楚量子为何如此神秘，但国际主流学界已经接受了量子这种特殊性的客观存在。更重要的是，人们可以利用量子的奇异特性开发创新型应用，比如量子通信和量子计算。

量子通信是科学界利用量子特性最早开发的信息应用，其“不可分割”“测不准”“不可克隆”等特性，使得理论上“绝对安全”的量子通信成为可能。

而基于量子的叠加态与纠缠特性，量子计算机被认为将是最具威力的量子信息应用。未来，其超级计算能力的实现，将为金融分析、气象预报等大规模计算提供全新的方案。量子计算机还可以通过“模拟”，来解决科学研究中的一些未解之谜。

5月3日，中科院量子信息和量子科技创新研究院在上海宣布，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学教授王浩华研究组，在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了系列突破性进展。

当前，量子计算机的概念十分火热。无数好莱坞大片、科幻小说都提到了这项“酷炫到爆炸”的科技。

鉴于其强大功能，量子计算机的研发也成为全球顶尖科研机构的“兵家必争之地”。

在光学体系，中国构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机；在超导体系，中国团队实现了目前世界上最大数目（10个）超导量子比特的纠缠，系列成果发表于国际学术期刊《自然—光子学》和《物理评论快报》。

用潘建伟的话说：“未来量子计算的能力可能超越人类想象。而现在，中国已经迎来了自己的‘相变点’。”

“秒杀”超级计算机

量子计算利用量子相干叠加原理，在原理上具有超快的并行计算和模拟能力，计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。

比如，有一个特别大的数字，人们想知道它是由哪两个数字相乘得到的。这类“大数分解”问题，如果利用万亿次经典计算机分解一个300位的大数，需要15万年；而利用万亿次量子计算机，则只需一秒钟。

同样，求解一个亿亿亿变量的方程组，利用目前最快的超级计算机需要100年，而利用万亿次量子计算机，则只需要0.01秒。

“一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力就可以超过超级计算机。因此，量子计算机在密码分析、气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探等需要解决大规模计算难题的领域有巨大优势。”潘建伟说。

由于量子计算的巨大潜在价值，欧美各国都在积极整合各方面研究力量和资源，开展协同攻关，同时，大型科技公司如谷歌、微软、IBM等也强势介入量子计算研究。

“传统项目”超越经典

当前，国际学术界在基于光子、超冷原子和超导线路体系的量子计算技术发展上总体较为领先。中国科研团队在这3个领域均有涉猎。

多粒子纠缠的操纵作为量子计算的核心资源，一直是国际角逐的焦点。在光子体系，潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平，并于2016年底把纪录刷新至10光子纠缠，这一领域，可以说是中国的“传统强项”。

在此基础上，该团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源，通过调控可编程的光量子线路，构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。

陆朝阳说，研发量子计算机的目的就是解决传统计算机难以解决的问题，例如“玻色取样”这个题目，经典计算机计算起来难度就很大。

实验测试表明，该量子计算原型机的“玻色取样”速度不仅比国际同行快了至少2.4万倍，同时，通过和经典算法比较，也比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10~100倍。

中国人造出的这台量子计算机，是人类历史上第一台超越早期经典计算机的基于单光子的量子计算机，它为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了坚实的基础。

“这次之所以跟早期经典计算机‘较量’，是因为我们的量子计算机还是个‘孩子’，所以也要跟‘同龄小孩’比较。”潘建伟坦言，“目前这台量子计算机跟笔记本电脑的能力比还有很大差距，但量子计算机的发展就像雨后春笋，最开始几年才能长1厘米，后面就会‘蹿’得很快，现在我们已经看到了爆发式增长的态势。”

潘建伟透露，朝着这个目标，他们团队将计划在今年年底实现大约20个光量子比特的操纵，那时的光子量子计算机，将有望达到与笔记本电脑相抗衡的计算能力。

“这么重要的方向，我们决不能漏掉”

由于其可集成性、消相干性等表现非常好，超导量子被很多人认为是最有希望研制性能可拓展的量子计算机的一项技术，也是国际竞争最为激烈的一个方向。2015年，谷歌、美国宇航局和加州大学圣塔芭芭拉分校宣布实现了9个超导量子比特的高精度操纵。

而中国在超导量子计算领域并没有先发优势，人才队伍也较为匮乏，这一现状，让潘建伟十分焦虑。

“如果我们还是像以前一样各干各的，很难做出好成果。谷歌那么大一个团队，很容易就把我们的年轻苗子给‘捏死’了。这么重要的方向，我们决不能漏掉。”

潘建伟感到，要在这个领域弯道超车，必须要搞协同创新，把全国的优势力量集中起来。于是，他所在的中科大联合了浙江大学、中科院物理研究所等单位进行合作攻关，大家都拿出了自己的看家本领，终于打破了美国人保持的纪录。

朱晓波、王浩华、陆朝阳和潘建伟等合作，自主研发了10比特超导量子线路样品，通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特的多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了10比特量子态。

随后，研究团队用这个超导量子线路演示了求解线性方程组的量子算法，证明了通过量子计算的并行性加速求解线性方程组的可行性，这一成果已经被《物理评论快报》杂志接收。

“与超级计算机相比，超导量子计算机的耗能非常少，基本上最普通的实验室就能够满足需求。”朱晓波说，目前团队正在致力于20个超导量子比特样品的设计、制备和测试，并计划于今年年底前发布量子云计算平台。他们希望，到2020年左右能够达到50个超导量子比特的水平，进而实现真正的“量子称霸”。

正如古代发明算盘的人不会想到今天的计算机一样，潘建伟承认，就连他也难以预料未来量子计算机的巨大能量。但“人类对计算能力的追求永无止境”，潘建伟和他的团队，也会继续朝着这个令人激动的未来，不断前行。

安徽省量子计算工程研究中心获悉，我国科学家在中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”上，成功完成了全球最大规模的量子计算流体动力学仿真，标志着国产量子算力在解决实际问题方面取得重要进展。相关成果发表在国际期刊《应用力学与工程中的计算机方法》上。

该项目研究团队由合肥综合性国家科学中心人工智能研究院、中国科学技术大学、本源量子计算科技（合肥）股份有限公司（以下简称“本源量子”）等单位组成。

计算流体动力学广泛应用于航空航天、汽车工程、船舶设计等领域，与飞行器、汽车及船舶的外形设计都紧密相关。算力提升可以加快飞机、汽车的更新迭代并降低设计成本。然而，传统计算机越来越难以满足这些领域对计算规模、计算精度和计算速度的要求。

量子计算为计算流体动力学提供了新的算力选择。相较于传统方法，量子计算能够显著加速流体动力学仿真过程，从而大幅缩短研发周期并节省经费。

据了解，本源量子很早就开始了量子计算流体动力学探索。2019年，国际知名飞机制造企业空中客车公司发起全球量子计算挑战赛，邀请了全球36个量子计算团队、超过800名研究人员，旨在利用量子算力加快飞机机翼设计。在此次比赛中，本源量子团队构建了一个在量子计算机上求解计算流体动力学问题的算法，成为唯一入围该挑战赛五强名单的中国企业。

中国科学院量子信息重点实验室副主任、“本源悟空”科研团队主要负责人郭国平表示：“此次研究不仅证明我国自主超导量子计算机具备开展大规模、高精度流体动力学研究的能力，也为我们探索更多复杂科学问题提供了新工具和新方法。”

据介绍，今年1月全球上线的“本源悟空”，是目前我国先进的可编程、可交付超导量子计算机，已为来自全球133个国家超1500万人次提供量子云服务，完成27万个量子运算任务。

自从 20 世纪 80 年代初第一台量子计算机被设想出来以来，研究人员一直期盼着有一天这种设备能够解决传统计算机无法解决的问题。在过去五年中，量子计算机终于开始向传统计算机发起挑战——尽管最终能否战胜传统计算机仍是一个未知数。

现在，在争取这一“量子优势”的战斗的最新篇章中，谷歌的研究人员表示，他们已经确定了量子计算机能够击败传统计算机的条件。为了理解这些条件，他们使用名为 Sycamore 的量子计算机处理器来运行随机电路采样 (RCS)，这是一种简单的量子算法，本质上是生成随机值序列。

谷歌量子计算机通过减少错误达到关键里程碑

该团队分析了 Sycamore 的输出，发现当它在执行 RCS 时以大量噪声干扰的模式运行时，经典超级计算机可能会“欺骗”或击败它。但是，当噪声降低到某个阈值时，Sycamore 的计算变得足够复杂，以至于欺骗它实际上是不可能的——据估计，世界上最快的经典超级计算机需要 10 万亿年才能完成。这一发现于去年首次在 arXiv 服务器上的预印本中报道，今天发表在《自然》1上。

量子专家告诉《自然》杂志，这令人信服地证明 Sycamore 能够超越任何运行 RCS 的传统计算机。2019 年，谷歌报告称其量子计算机可以运行 RCS 并获得量子优势，但自那以后，传统计算机能够以比预估更快的速度运行该算法，从而消除了所谓的优势。这一次，“谷歌在澄清和解决 RCS 的许多已知问题方面做得非常出色，”位于科罗拉多州布鲁姆菲尔德的计算机软件公司 Quantinuum 的量子计算研究员 Michael Foss-Feig 说。他说，新发现表明量子计算机可以承受多大的噪音，但仍能击败传统计算机。

上海中国科学技术大学量子物理学家陆朝阳表示，传统计算机和量子计算机之间的持续竞争一直是该领域的驱动力。它激励研究人员建造更大、更高质量的量子计算机。

谷歌的最新成果并不意味着量子计算机将取代传统计算机。例如，Sycamore 无法执行普通计算机的典型操作，例如存储照片或发送电子邮件。“量子计算机不是速度更快，而是与众不同，”谷歌位于加利福尼亚州圣巴巴拉的量子计算项目负责人 Sergio Boixo 说。它们最终旨在完成传统上不可能完成但有用的任务，例如精确模拟化学反应。

指数增长

Sycamore 处理器看起来与日常笔记本电脑使用的硅芯片类似，但它是专门制造的，可以控制流经它的电子——具有量子精度。为了减少会破坏电子微妙状态并引入噪音的温度波动，该芯片被保存在接近绝对零度的超低温下。

IBM量子计算机突破计算里程碑

量子芯片不像普通计算机那样使用经典比特（它们总是 0 或 1），而是依靠量子比特，量子比特利用电子处于混合状态的能力。量子计算机可以使用比传统计算机所需的比特少得多的量子比特来执行某些任务。例如，要运行 RCS 算法，传统计算机需要 1,024 个比特，而量子计算机则需要 10 个量子比特。

五年前，谷歌的一个研究小组在《自然》杂志2上报告称，要在他们的 53 量子比特计算机上完成 200 秒的 RCS 计算，经典超级计算机需要 10,000 年的时间。这一说法几乎立刻遭到了抨击；科技巨头 IBM 的研究人员在同行评审之前在网上发布了一份预印本3，其中指出超级计算机实际上可以在几天内完成这项任务。今年 6 月，卢和他的同事使用功能强大的经典计算机在短短一分钟内就模仿了这一结果4。

谷歌 2019 年的成果并不是唯一一个被经典算法欺骗的成果。2023 年 6 月，IBM 研究人员和其他研究人员报告了证据5 ，表明他们的127量子比特计算机可以解决“超出强力经典计算”的潜在有用数学问题。几周之内，多项研究6、7表明经典方法仍然可以与之竞争。

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Boixo 和他的同事们想要了解噪声如何使量子计算机容易受到经典欺骗。他们发现，即使量子比特噪声有微小的差异（从 99.4% 的无错误率变为 99.7%），Sycamore 的行为也会像处于新状态一样，类似于物质从固体转变为液体。

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“噪声的作用是将系统变成更经典的系统，”Boixo 说。一旦运行 67 个量子比特的 Sycamore 升级版超过某个噪声阈值，其 RCS 输出就无法用经典方法模拟。

在过去两年中，击败传统超级计算机的尝试也集中在降低量子比特噪声上。Foss-Feig 和他的同事在一台拥有 56 个低误差量子比特8 的量子计算机上运行了 RCS 。他说，有了更好的量子比特，“至少对于 RCS 来说，传统计算机已经无法跟上量子计算机的步伐了”。

研究人员希望，有朝一日，量子计算机能够变得足够大，并且不会出现错误，从而摆脱量子与经典之战。目前，他们只能满足于这场战斗。如果你无法在 RCS（最简单的应用）上取得优势，Boixo 说，“我认为你也无法在任何其他应用中获胜”。

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量子计算的基本概念

Fundamentals of Quantum Computing

量子计算是一种利用量子力学原理进行信息处理的计算方式。传统计算机使用比特作为信息的基本单位，而量子计算机则使用量子比特（qubit）。量子比特具有叠加态和纠缠态的特性，使得量子计算机能够在多个状态间并行处理信息，从而极大地提高计算效率。

量子比特（Qubit）的特性

Characteristics of Qubits

量子比特是量子计算的基础单位。与经典比特不同，量子比特可以同时处于多个状态，这一特性被称为叠加态。量子比特还可以通过量子纠缠与其他量子比特保持特殊的关联，这使得量子计算机能够进行高效的信息处理。叠加态和纠缠态是量子计算机强大计算能力的源泉。

量子叠加与量子纠缠

Quantum Superposition and Quantum Entanglement

量子叠加是指量子比特可以同时处于0和1的状态，这种特性允许量子计算机在进行计算时并行处理多个计算任务。量子纠缠则是指两个或多个量子比特之间形成的非经典关联，使得对一个量子比特的操作能够立即影响到与之纠缠的其他量子比特。这两种特性使得量子计算机能够解决经典计算机难以应对的问题。

量子门与量子算法

Quantum Gates and Quantum Algorithms

量子门是量子计算中的基本操作单元，用于对量子比特进行操作。量子门与经典逻辑门类似，但其操作方式基于量子力学原理。量子算法则是利用量子计算机进行特定计算的步骤和方法。著名的量子算法如Shor算法和Grover算法，能够在某些特定问题上比经典算法表现出显著的效率优势。

量子计算的技术现状

Current Status of Quantum www.mmbbl.cn Technology

量子计算技术虽然仍处于发展阶段，但近年来取得了显著进展。全球范围内的研究机构和公司正积极推动量子计算技术的应用和普及。

量子计算机的硬件进展

Advances in Quantum Computing Hardware

量子计算机的硬件是其发展的关键。当前的量子计算机硬件主要有超导量子计算机、离子阱量子计算机和光量子计算机等。超导量子计算机利用超导材料的量子特性进行计算，离子阱量子计算机则使用电磁场捕捉和操控离子，而光量子计算机则利用光子的量子特性。各类量子计算机硬件的进展正在不断推动量子计算技术的发展。

量子计算的算法研究

Research in Quantum Computing Algorithms

量子计算算法的研究是量子计算技术发展的核心。近年来，许多新的量子算法被提出，如量子傅里叶变换、量子模拟等。这些算法在处理复杂计算任务时表现出了巨大的潜力。例如，Shor算法可以在多项式时间内完成整数分解，而Grover算法则能够加速无序数据库的搜索过程。

量子计算的商业化进程

Commercialization www.gd1001.cn Quantum Computing

量子计算的商业化进程正在加速。许多科技公司和初创企业正在积极开发量子计算产品，并尝试将其应用于实际场景。IBM、Google、Microsoft等公司已经推出了量子计算平台，并提供云端量子计算服务。这标志着量子计算技术正逐步走向实际应用。

量子计算的应用前景

Future Applications of Quantum Computing

量子计算的潜力巨大，未来可能在多个领域带来性的变化。

加密技术与信息安全

Cryptography and Information Security

量子计算对加密技术和信息安全具有深远的影响。传统的加密算法，如RSA算法，基于大数分解问题，而量子计算的Shor算法可以在多项式时间内解决该问题，这意味着现有的加密标准可能面临挑战。因此，量子计算的兴起推动了量子密码学的研究，旨在开发新的加密技术以应对量子计算带来的威胁。

物发现与材料科学

Drug Discovery and Material Science

量子计算在物发现和材料科学领域有着广泛的应用前景。量子计算可以模拟复杂的分子和化学反应，从而加速新物的发现过程。材料科学中，量子计算能够帮助研究新型材料的性质，推动新材料的开发，提升材料的性能和应用范围。

优化问题与复杂系统

Optimization Problems and www.wifitj.cn Systems

许多实际问题，如物流调度、金融投资组合优化等，涉及复杂的优化问题。量子计算能够处理这些问题中的复杂计算任务，并提供更优的解决方案。量子计算的优化算法可以大幅提升优化效率，解决经典计算机难以解决的复杂问题。

人工智能与机器学习

Artificial Intelligence and Machine Learning

量子计算有望提升人工智能和机器学习的性能。量子计算可以加速机器学习算法的训练过程，提高模型的精度和效率。例如，量子支持向量机和量子神经网络等量子算法可以在处理大规模数据集时展现出显著的优势。

量子计算面临的挑战

Challenges Facing Quantum Computing

尽管量子计算展现了巨大潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。

量子纠错与稳定性

Quantum Error Correction and Stability

量子计算机对环境噪声和操作误差非常敏感，量子纠错是解决这一问题的关键。当前的量子纠错技术仍处于研究阶段，需要进一步提高量子计算机的稳定性和准确性，以确保其在实际应用中的可靠性。

硬件实现的难题

Challenges in Hardware Implementation

量子计算机的硬件实现是一个复杂的工程，需要高精度的控制和低温环境。不同类型的量子计算机硬件面临着各自的技术难题，如超导量子计算机需要处理量子比特的干扰，离子阱量子计算机则需要高精度的激光控制。克服这些技术难题是实现大规模量子计算机的关键。

成本与资源消耗

Cost and Resource Consumption

量子计算机的研发和制造成本非常高，需要大量的资源和资金投入。这使得量子计算技术的普及面临经济上的挑战。如何降低量子计算机的成本，提高其性价比，是推动量子计算技术广泛应用的一个重要因素。

软件开发与应用

Software Development and Applications

量子计算的实际应用需要相应的软件支持。目前，量子计算的软件开发仍在初步阶段，需要开发出适合量子计算机的算法和应用。量子编程语言和开发工具的完善，将有助于推动量子计算技术的应用和普及。

量子计算的未来发展方向

Future Directions of Quantum Computing

量子计算技术的未来发展将集中在以下几个方面。

量子计算机的规模化

Scaling Up Quantum Computers

未来，量子计算机将朝着规模化方向发展。增加量子比特的数量，提高量子计算机的计算能力，是实现更复杂计算任务的关键。技术进步和工程创新将推动量子计算机向更大规模发展，拓展其应用范围。

量子网络与量子互联网

Quantum Networks and Quantum Internet

量子网络和量子互联网是量子计算的未来发展方向之一。通过量子网络，量子计算机可以实现远程通信和协作，推动量子计算的分布式应用。量子互联网将实现量子信息的安全传输和共享，推动量子技术的广泛应用。

量子技术的跨领域融合

Integration of Quantum Technology Across Domains

量子技术的跨领域融合将成为未来发展的趋势。量子计算与人工智能、物联网等技术的结合，将带来更多创新应用。通过融合不同技术，量子计算将为各行各业提供更高效、更智能的解决方案。