?如何打造實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)？

“量子優(yōu)越性是指在一個(gè)特定問(wèn)題上超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)。未實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，則任何計(jì)算任務(wù)都可被經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬，談不上提供真正的算力。”朱曉波在主旨演講時(shí)強(qiáng)調(diào)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)總師朱曉波，在中國(guó)電信智算云生態(tài)大會(huì)·量子信息分論壇的主旨演講中，介紹了實(shí)用量子計(jì)算機(jī)研制、超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)、量子計(jì)算云平臺(tái)等進(jìn)展，以下為部分內(nèi)容。

如何打造實(shí)用量子計(jì)算機(jī)

朱曉波介紹，量子信息發(fā)展已久，最早可以追溯到19世紀(jì)末期普朗克提出量子論，20世紀(jì)初量子力學(xué)建立，帶來(lái)了第一次量子革命，為量子信息發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，人類(lèi)可以對(duì)單個(gè)粒子進(jìn)行有效調(diào)控和測(cè)試，創(chuàng)造了全新的量子信息產(chǎn)業(yè)：量子通信、量子計(jì)算、量子精密測(cè)量等。

“其中量子通信最為成熟，已開(kāi)始落地應(yīng)用，但量子計(jì)算還處在原理驗(yàn)證和關(guān)鍵技術(shù)突破階段。”朱曉波指出，不同于經(jīng)典計(jì)算，量子計(jì)算基于量子比特，隨著比特?cái)?shù)增加，量子計(jì)算具備指數(shù)級(jí)的加速計(jì)算能力。要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，就需要去操控能量不可分的最小單元，因而如何制造出實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)，成為業(yè)界面臨的最大挑戰(zhàn)?！耙坏?shí)現(xiàn)，對(duì)國(guó)家安全、對(duì)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，都將是革命性的?！?/p>

如何打造一臺(tái)實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)？有兩個(gè)必要條件：一是降低比特操控錯(cuò)誤率；二是增加量子比特?cái)?shù)目，兩者必須同步進(jìn)行?；谶@兩個(gè)指標(biāo)，朱曉波分別介紹了量子計(jì)算發(fā)展的三個(gè)階段：

第一個(gè)階段，可經(jīng)典模擬階段，這個(gè)階段量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行的計(jì)算任務(wù)都可以用經(jīng)典計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬；而以實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”或稱“量子稱霸”為標(biāo)志，即針對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，就進(jìn)入第二個(gè)階段，即帶錯(cuò)誤的中等規(guī)模近期應(yīng)用階段，這個(gè)階段比特?cái)?shù)達(dá)到一百到數(shù)千，同時(shí)做到較低的比特門(mén)錯(cuò)誤率，可以實(shí)現(xiàn)具有特定領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值的專用量子計(jì)算，可在組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面發(fā)揮效用；第三個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。

“近幾年來(lái)，國(guó)家和業(yè)界對(duì)量子計(jì)算研究進(jìn)行了大量投入。”朱曉波如是說(shuō)。全球有4臺(tái)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，分別是美國(guó)谷歌的懸鈴木（Sycamore）、中國(guó)的光量子計(jì)算機(jī)“九章”和超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之二號(hào)”、加拿大Xanadu的北極光（Borealis）。中國(guó)是目前世界上唯一在超導(dǎo)量子和光量子兩種物理技術(shù)路線上都實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國(guó)家。

### 超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)展

量子計(jì)算機(jī)有多條技術(shù)路線，包括超導(dǎo)量子比特、超冷原子、光量子、離子阱、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、拓?fù)淞孔佑?jì)算、金剛石N-V色心等。這些技術(shù)路線各有優(yōu)勢(shì)，而超導(dǎo)技術(shù)路線的芯片制備與集成電路工藝高度一致，所以具備良好的的可擴(kuò)展性，同時(shí)基于無(wú)損耗的超導(dǎo)電路構(gòu)建的宏觀人造原子體系又兼顧了良好的環(huán)境隔離性與控制靈敏度。基于這些優(yōu)勢(shì)，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)目前在眾多技術(shù)路線的發(fā)展中已經(jīng)走在前列，被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)路線之一。

作為“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)總師，朱曉波重點(diǎn)講解了超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)展。他介紹了超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)幾大組成部分：一是量子處理器和實(shí)現(xiàn)極低溫、極低噪聲的低溫組件，要操控量子，必須將其放在極低溫（20mK，約零下273.13℃）環(huán)境；二是室溫區(qū)電子學(xué)操控系統(tǒng)；三是操控軟件系統(tǒng)。最后是量子計(jì)算云平臺(tái)，這是做大做強(qiáng)量子計(jì)算生態(tài)的關(guān)鍵，要與量子硬件同步發(fā)展、互相促進(jìn)。

**“一個(gè)超導(dǎo)量子比特翻轉(zhuǎn)一次的能量，大概是蝴蝶扇動(dòng)一下能量的10億億分之一。也就是操控10億億分之一的翻轉(zhuǎn)，同時(shí)精度還要達(dá)到萬(wàn)分之一?！?*朱曉波感嘆。在研究團(tuán)隊(duì)的努力下，中國(guó)科大將每個(gè)量子比特錯(cuò)誤率降低到了約千分之一的水平。同時(shí)，**中國(guó)科大還自主研發(fā)了稀釋制冷機(jī)、電子學(xué)控制系統(tǒng)等關(guān)鍵組件，解決了被國(guó)外“卡脖子”的難題，**甚至相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始拓展海外市場(chǎng)。

“我們要實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，我們要爭(zhēng)口氣。谷歌懸鈴木率先實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，但我們的‘祖沖之二號(hào)’在單比特門(mén)保真度、雙比特門(mén)保真度、讀取保真度等重要標(biāo)定量子處理器基本性能的指標(biāo)參數(shù)上都明顯優(yōu)于谷歌懸鈴木?！敝鞎圆ㄔ俣葟?qiáng)調(diào)，“為了保持我們?cè)诔瑢?dǎo)體系量子計(jì)算的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，我們會(huì)持續(xù)做更深度的量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)，否則所有的東西都是鏡花水月。同時(shí)與谷歌等國(guó)際量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)持續(xù)存在?！?/strong>