近日，中国科学技术大学潘建伟院士领导的量子计算机研发团队，来了个“双黄蛋”——“祖冲之二号”和“九章二号”两项科研成果同时发表在国际学术期刊《物理评论快报（Physical Review Letters）》上。
“祖冲之二号”构建了66比特可编程超导量子计算原型机，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解；“九章二号”则再次刷新了国际上光量子操纵的技术水平，处理特定问题的速度比经典超级计算机快亿亿亿倍，进一步提供了量子计算加速的实验证据。
这两项研究意味着，中国成为目前世界上唯一在超导量子和光量子两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。著名量子物理学家、加拿大卡尔加里大学教授Barry Sanders撰写长篇评述文章，称该工作是“令人激动的实验杰作”“令人印象深刻的最前沿的进步”。
为什么这项研究成果会得到如此高的评价？量子计算到底是什么？和现在使用的经典计算机有什么不同？它是如何发展的？可以应用在哪些领域？
什么是量子计算
量子计算是利用诸如叠加和纠缠等量子现象进行计算的一种突破性计算技术。这些量子现象遵循量子力学规律，通过调控量子信息单元实现，以量子比特为基本单位，通过量子态的受控演化实现并行计算，在某些计算困难问题上提供指数级加速。因此量子计算机可以为计算困难问题提供高效解决方案，实现突破经典计算极限的算力飞跃。与现在普及的经典计算机相比，量子计算机在基本单位、计算能力上有明显的不同：
首先，两者在基本单位上有明显不同。经典计算机信息的基本单元是比特，比特是一种有两个状态的物理系统，用0和1表示。而在量子计算机中，基本信息单位是量子比特（Qubit），用两个量子态｜0>和｜1>代替经典比特状态0和1，每个量子比特的状态是0或1的线性组合（通常称为叠加态）。
换言之，我们日常使用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息在硬件电路里都会转换成0和1，每个比特要么代表0，要么代表1，这些比特就是信息，然后再进行传输、运算与存储。正是因为这种0和1的“计算”过程，电脑才被称为“计算机”。而在量子计算机中，每个量子比特，不仅可以表示0或1，还可以表示成0和1分别乘以一个系数再叠加，随着系数的不同，这个叠加的形式可能性会很多很多。因此在量子计算中，0和1同时存在，就意味着很多个任务可以同时完成，这使得量子计算机有超越经典计算机的运算能力。
其次，两者在计算能力上有很大的不同。经典计算机的计算能力与晶体管数量成正比例线性关系，而量子计算机的计算能力将以量子比特的指数级规模拓展和爆发式增长。以“走迷宫”为例，传统计算机走迷宫，每次只能选择一条路去尝试，如果失败了，就只能从头再来。但是量子计算机走迷宫，就好比同时有10个人一起尝试不同的路，瞬间就把所有可能都尝试一遍，很快就能找到那条正确的路。因此，量子计算机完全突破了经典计算机的限制，潜力无穷。
但量子计算机与经典计算机并非是替代的关系，两者在不同的场合各有优势。比如对一些简单计算，如加减乘除，经典计算机和量子计算机的运算速度相差不大，不具有明显优势。因此，科学家认为，量子计算机永远都不会完全取代经典计算机，两者会各自在适合的场景使用。
由于算力上的优势，1台n位的量子计算机的算力在理论上相当于2n台n位的经典计算机的算力，这种优势也被称为“量子优越性”。并且随着计算复杂性的增加，量子计算机就可以完成经典计算机无法执行的计算，“量子霸权”也就由此实现。
所谓“量子霸权”，其实是一个科学术语，与国际政治无关。根据科学家推算，一旦能够操纵53个量子，量子计算机的算力就会超越传统架构的超级计算机。目前人类最强的超级计算机是日本的“富岳”，它由400台计算机组成，每台重两吨，1秒钟可以实现1.051京（京是比兆更大的单位，1 京=1亿×1亿）次的计算。而量子计算机只需操纵53个量子比特就能超越“富岳”。可见，只要人类能够操纵足够多的量子比特，那么量子计算机1秒钟的计算能力，就将完全碾压人类有史以来所有经典计算机的算力之和。
然而，这只是一个理论推算。在很长一段时间中，量子计算机是否能实现量子优越性都是一个问号——量子态脆弱而敏感，极易受到周围环境噪声的影响，在实际的物理体系中去建造一台量子比特数足够多、操控保真度足够高的量子计算机，是一项严峻的挑战。
量子计算的发展
物理学界认为，1981年5月是标志着量子计算开始的重要时刻。那年的一场会议演讲中，加州理工学院物理学教授、1965年诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼（Richard Feynman）提出了两个极具前瞻性的问题：经典计算机是否能够有效地模拟量子系统？舍弃经典的图灵机模型而利用具有奇特性质的量子材料，能否建造出模拟量子系统的计算机？
费曼的观点影响了以后量子计算的发展，随着研究的不断深入，人们越发意识到量子计算的重要意义——这是一种全新的计算模式，是对计算和信息本质的深入探究和发现。1985年，大卫•多伊奇（David Deutsch）提出了量子图灵机模型，使得通用量子计算机的构建更加清晰；1992年后，又由多伊奇和约萨（Jozsa）提出的多伊奇-约萨算法（Deutsch-Jozsa algorithm），这是量子并行计算理论的基石。
1994年，彼得·舒尔（Peter Shor）提出舒尔算法（Shor's algorithm），对RSA等在内的加密算法和系统造成了威胁，成为量子计算的突破核心；1995年，本杰明·舒马赫（Benjamin Schumacher）第一次提出了量子比特信息学上的概念，并创造了“量子比特”（qubit）的说法；1996年，格罗弗（L.K.Grover）提出了格罗弗算法（Grover's algorithm，也称量子搜索算法，Quantum search algorithm）该算法被公认为是继舒尔算法后的第二大算法；1998年，伯纳德·奥默（Bernhard Omer）提出量子计算编程语言，拉开了量子计算机可编程的序幕。
2007年，商用量子计算机公司D-wave Systems实现了历史上第一台商用量子计算机，并宣布研制成功16量子比特的量子计算机“猎户座”（Orion）；2009年，哈罗（Harrow）、哈西丁（Hassidim）、劳埃德（Lloyd）提出HHL量子算法，该算法在特定条件下实现了相较于经典算法的指数加速效果，将在机器学习、数值计算等场景展现出优势。
2014年，Google公司建设“Google量子人工智能实验室”，自此，专营量子计算的创业公司开始出现；2019年1月，IBM公司发布世界上首个商用集成量子计算系统IBM Q System One，这一新系统对于在实验室外扩展量子计算至关重要；2019年，谷歌发布论文称已经利用一台53量子比特的量子计算机，证实了量子计算机的性能超越了当时世界最快的超级计算机summit，成为量子计算领域发展的标志性事件，刺激了全球科技巨头和初创企业的进一步投入与竞争。
而中国的科学家也在量子计算领域取得不错的进展。2020年12月，潘建伟、陆朝阳等人组成的研究团队设计、构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了高斯玻色采样任务的快速求解。研究显示，“九章”等效地比“悬铃木”快一百亿倍，这一成果使我国成为第二个实现“量子计算优越性”的国家。2021年5月，潘建伟院士团队又成功研制出62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现可编程的二维量子行走。现在，“祖冲之二号”和“九章二号”的问世，则成了中国在量子计算机优越性上的又一个里程碑。
“九章二号”的量子优势非常明显：对于高斯玻色采样问题，“九章”一分钟完成的任务，超级计算机“富岳”需要花费一亿年来解决；“九章二号”一毫秒可以解出的问题，“富岳”需要算30万亿年。最重要的是，“九章二号”还具有了部分可编程的能力。“祖冲之二号”则通过操控其上的 56个量子比特，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性，所完成任务的难度比“悬铃木”高2～3个数量级。
简单地说，“九章二号”进一步扩大了对经典计算机的优势，而“祖冲之二号”则取得了这一技术路线的新的世界纪录。因此，我们可以宣告中国是世界上唯一一个在两条技术路线上实现量子优越性的国家。从这个意义上说，中国的量子计算研究处于世界领先地位。
量子计算的技术路线
虽然量子技术稳步发展，但是离实用化还有一定距离。量子计算目前还处于原型机研发阶段，对粒子状态的控制是亟须突破的难点。
德国亚琛工业大学(Aachen University)量子信息专家DiVincenzo对量子计算实用化提出了五个要求：第一，必须有一组可良好表征的量子比特；第二，必须能够很好对这组量子比特进行初始化；第三，这组量子比特需要具有非常长的退相干时间；第四，能实现一组“通用的”量子门操作；第五，在经过了一系列量子门操作之后还能够很好地测量这些量子比特的最终状态。目前还没有量子计算方案能满足这些要求，但是有许多技术路线值得注意。
量子计算存在多种技术路线以制作出最基本的物理实现粒子。主流技术路径包括超导、离子阱、半导体量子点、量子光学以及拓扑量子等。技术路径的研发目的都是为了制作出纠缠态的最基本粒子。
目前，主要有五个经过充分论证的候选方案正在竞争：超导、离子阱、光量子、半导体量子点和冷原子。所有这些方案都是在20世纪90年代开创性的物理实验和实现中开发提出的。超导和离子阱技术路线当前处于领先地位，受到关注的程度最高，半导体量子点和光量子路线发展提速，上述四种路径均已制作出物理原型机，但拓扑量子尚无物理层面的实现。并且，这些路线都不能完全满足实用化条件要求。所以，距离实现对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测还需至少十年的探索周期。下面我们来介绍一下量子计算集中有代表性的技术路线：
超导量子计算路线：超导量子计算路线利用超低温“冻结”粒子的运动进而实现粒子状态的控制。由于超导量子电路的能级结构可通过外加电磁信号进行调控，电路的设计定制的可控性强。得益于基于现有的成熟集成电路工艺，超导量子电路具有多数量子物理体系难以比拟的可扩展性。超导量子计算机方案是目前国际上进展最快的方案，拥有最多的技术追随者，IBM和谷歌凭借其深厚的技术积累和雄厚的资金实力在该领域发展迅猛。与国外相比，中国在量子计算各路线的进展中，超导量子计算的实验虽然起步较晚，但表现强势。长远来看，该条技术路线在未来较易实现规模化。
离子阱量子计算路线：离子阱量子计算路线优势在于相干性好，可纠缠量子比特数目多，逻辑门保真度高。离子阱系统是美国政府资助最多的两个量子计算研究方向之一。离子阱量子计算至今已发展2余年，与超导量子计算的发展旗鼓相当。国际上，霍尼韦尔、IonQAQT在离子阱量子计算机的商业化方面进展较快。但国内对于离子阱量子计算机的实验研究只有不到十年的时间。我国在光量子计算的研究中处于国际领先水平。光量子是除超导量子和离子阱之外研究进展较快的技术路线，国际上，Xanadu和PsiQuantum是两家发展较好的光量子计算机研制厂商。
半导体量子计算路线：半导体量子计算路线结合了当前的半导体工业技术，未来可以快速实现产业化，同时由于半导体量子比特体积较小，较超导技术路线和光量子技术路线而言更容易实现芯片化。但当前半导体量子比特的数量较少，且相干性较弱。国际上，美国英特尔、荷兰代尔夫特理工大学和Qutech、澳大利亚SQC公司、日本理化学研究所（RIKEN）从事硅自旋量子比特方面的研发。值得欣喜的是，中科大郭光灿院士团队在硅基半导体锗纳米线量子芯片研究中取得了重要进展。由该团队郭国平教授领衔的本源量子公司已推出第二代硅基自旋二比特量子芯片——玄微XWS2-200。
量子光学路线：量子光学路线在相干时间、室温工作、高维纠缠操纵、实现量子信息系统互联等方面具有优势。我国中科大在光量子计算研究方面处于领先地位，2020年9月完成了对50个光子的玻色取样，12月构建了76个光子的量子计算原型机“九章”。基于离散器件平台等光量子计算探索在比特数量大规模方面将面临困难，上海交大在基于光子集成的光量子芯片领域开展了研究。
拓扑量子计算路线：拓扑量子计算路线无需纠错算法、相干时间长、保真度强。但拓扑量子位硬件构建难度大，目前尚无物理层面的实现。微软为该实现路径的主要研发企业，2020年，微软宣布与哥本哈根大学合作成功实现了一种重要的、有希望用于拓扑量子计算机的材料。这种新材料有可能在没有磁场的情况下实现拓扑状态，可用于实现真正的拓扑量子计算机。
量子计算的未来发展
自结绳记事以来，人类就认识到了“计算”的重要性。毫不夸张地说，计算能力直接决定了一个文明所能达到的水平。二战前后，二进制计算技术得以发展，加上半导体技术的进步，终于演化出今天几乎每个人都能拥有、遍布世界各个角落的计算设备和数不胜数的计算方法。
二战后，生产力以爆炸式的速度发展。而这一发展背后的原动力，无疑与计算能力的指数级速度增长（摩尔定律）息息相关。但随着半导体基础器件——晶体管的尺寸逐渐逼近物理极限，著名的摩尔定律将在不远的未来走到尽头。但人们对计算能力的渴求并不会因此而降低，相反是大大增加了。以互联网为代表的现代通信系统每时每刻都在产生巨量的数据，如何从这些“数据矿山”中提取有用信息以进一步改善人类的生产生活，成为一个日益显著的问题和挑战。而经典计算机目前的算力远不足以解决这一问题，并且目前算力的发展速度，远低于数据增长的速度。
在这样的背景下，人们必须思考如何获得更为强大的计算能力，更进一步的，能否跳出经典计算的框架，在新的技术框架下探索新的计算能力?而“量子计算”为人类提供了新的可能性。
目前，一个受广泛认可的量子计算发展蓝图，是所谓三步走路线：首先实现“量子优势”——验证多比特量子系统的纠缠能力，扫除理论上的顾虑；然后实现量子纠错的逻辑量子比特，以及基于逻辑量子比特的量子逻辑门操作；最后将成千上万个逻辑量子比特组装起来，就可以进行通用量子计算了。
目前量子计算市场主要集中于研发环节，即处于原型机研发阶段，商业化前景仍然存在不确定性。但如果实现量子纠错机制的应用，量子计算有望在10~15年内实现商用，比如谷歌已经给出计划，到2029年实现100万个量子比特的量子处理器。气象、金融、石油化工、材料、生物医药、汽车交通等行业已开始关注和重视到量子计算的巨大发展潜力，并开始与量子计算科技企业和初创企业进行合作探索。
在经典计算机体系内，计算芯片设计与制造的核心技术掌握在科技巨头公司（如IBM公司、Intel公司等）手中，并处于垄断地位。而量子计算尚无专利壁垒，当前抢占技术入口将获得至关重要的议价权。因此，量子计算作为量子科技的重要应用之一，面向“十四五”时期乃至更长远的未来，有望成为中国在全球科技产业中“换道超车”，掌握尖端技术话语权的重要核心技术。
因此，世界各国高度重视量子科技的发展。美国、欧盟、英国、日本等主要国家和地区通过出台政策文件、成立研究机构、支持量子科技研究等方式加大对量子科技的规划布局和支持力度。
我国也将促进量子科技产业的发展上升为国家战略。习近平总书记在中央政治局第二十四次集体学习时强调，要系统总结我国量子科技发展的成功经验，借鉴国外的有益做法，抢占量子科技国际竞争制高点。我国有关部门先后发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》《国家创新驱动发展战略纲要》等多个文件，提出“重点研究量子通信的载体和调控原理及方法，量子计算，电荷—自旋—相位—轨道等关联规律以及新的量子调控方法”，提出了促进“量子信息技术”发展的战略规划。虽然我国在量子计算领域取得的成绩有目共睹，但后续依然需要投入大量人力财力，推动该领域产业技术应用落地。
作者：和卓琳
文字审核：柏双玲
科学性审核：国家超级计算天津中心应用研发部副部长 菅晓东
本文来自：中国数字科技馆
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