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“量子”已經(jīng)是當下的熱門研究領(lǐng)域。作為吃瓜群眾，可能用過“遇事不決，量子力學(xué)”的梗，也可能交過“量子茶杯”的智商稅……不過，到底量子科技是什么？你知道嗎？圍繞量子信息科技主題，潘建偉院士團隊撰寫了本科普文章，對量子信息科技進行了較為完整的介紹和展望。

量子計算是基于量子力學(xué)的全新計算模式，具有原理上遠超經(jīng)典計算的強大并行計算能力，為人工智能、密碼分析、氣象預(yù)報、資源勘探、藥物設(shè)計等所需的大規(guī)模計算難題提供了解決方案，并可揭示量子相變、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜物理機制。

與傳統(tǒng)計算機使用0或者1的比特來存儲信息不同，量子計算以量子比特作為信息編碼和存儲的基本單元。基于量子力學(xué)的疊加原理，一個量子比特可以同時處于0和1兩種狀態(tài)的相干疊加，即可以用于表示0和1兩個數(shù)。推而廣之，n個量子比特便可表示2n個數(shù)的疊加，使得一次量子操作原理上可以同時實現(xiàn)對2n個疊加的數(shù)進行并行運算，這相當于經(jīng)典計算機進行2n次操作。因此，量子計算提供了一種從根本上實現(xiàn)并行計算的思路，具備極大超越經(jīng)典

計算機運算能力的潛力。

類似于經(jīng)典計算機，量子計算機也可以沿用圖靈機的框架，通過對量子比特進行可編程的邏輯操作，執(zhí)行通用的量子運算，從而實現(xiàn)計算能力的大幅提升，甚至是指數(shù)級的加速。一個典型的例子是1994年提出的快速質(zhì)因數(shù)分解量子算法(Shor算法)。質(zhì)因數(shù)分解的計算復(fù)雜度是廣泛使用的RSA公鑰密碼系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)。例如，如果用每秒運算萬億次的經(jīng)典計算機來分解一個300位的大數(shù)，需要10萬年以上;而如果利用同樣運算速率、執(zhí)行Shor算法的量子計算機，則只需要1秒。因此，量子計算機一旦研制成功，將對經(jīng)典信息安全體系帶來巨大影響。

量子計算的發(fā)展階段

量子計算機的計算能力隨量子比特數(shù)目呈指數(shù)增長，因此量子計算研究的核心任務(wù)是多量子比特的相干操縱。根據(jù)相干操縱量子比特的規(guī)模，國際學(xué)術(shù)界公認量子計算有如下發(fā)展階段：

第一個階段是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機，達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。美國谷歌公司在2019年率先實現(xiàn)超導(dǎo)線路體系的“量子計算優(yōu)越性”。我國則分別于2020年在光量子體系、2021年在超導(dǎo)線路體系實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”。目前，我國是世界上唯一在兩種物理體系達到這一里程碑的國家。

第二個階段是實現(xiàn)專用量子模擬機，即相干操縱數(shù)百個量子比特，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機器學(xué)習(xí)等特定問題，指導(dǎo)材料設(shè)計、藥物開發(fā)等。達到該階段需要5至10年，是當前的主要研究任務(wù)。

第三個階段是實現(xiàn)可編程通用量子計算機，即相干操縱至少數(shù)百萬個量子比特，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。由于量子比特容易受到環(huán)境噪聲的影響而出錯，對于規(guī)模化的量子比特系統(tǒng)，通過量子糾錯來保證整個系統(tǒng)的正確運行是必然要求，也是一段時期內(nèi)面臨的主要挑戰(zhàn)。由于技術(shù)上的難度，何時實現(xiàn)通用量子計算機尚不明確，國際學(xué)術(shù)界一般認為還需要15年甚至更長時間。

目前，國際上正在對各種有望實現(xiàn)可擴展量子計算的物理體系開展系統(tǒng)性研究。我國已完成了所有重要量子計算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國在內(nèi)的三個具有完整布局的國家(地區(qū))之一。

超導(dǎo)量子計算實現(xiàn)趕超

目前，美國谷歌公司、IBM公司以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)是全球超導(dǎo)量子計算研究的前三強。2019年10月，在持續(xù)重金投入量子計算10余年后，谷歌正式宣布實驗證明了“量子計算優(yōu)越性”。他們構(gòu)建了一個包含53個超導(dǎo)量子比特的量子處理器，命名為“Sycamore(懸鈴木)”。在隨機線路取樣這一特定任務(wù)上，“懸鈴木”展現(xiàn)出遠超超級計算機的計算能力。

2021年5月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)構(gòu)建了當時國際上量子比特數(shù)目最多的62比特超導(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”，并實現(xiàn)了可編程的二維量子行走。在此基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了66比特的“祖沖之二號”。“祖沖之二號”具備執(zhí)行任意量子算法的編程能力，實現(xiàn)了量子隨機線路取樣的快速求解。根據(jù)目前已公開的最優(yōu)化經(jīng)典算法，“祖沖之二號”對量子隨機線路取樣問題的處理速度比目前最快的超級計算機快1000萬倍，計算復(fù)雜度較谷歌“懸鈴木”提高了100萬倍。

其他體系的量子計算研究

離子、硅基量子點等物理體系同樣具有多比特擴展和容錯性的潛力，也是目前國際量子計算研究的熱點方向。我國在離子體系的量子計算研究上起步較晚，目前整體上處于追趕狀態(tài)，國內(nèi)的優(yōu)勢研究單位包括清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和國防科技大學(xué)等，在離子阱的制備、單離子相干保持時間、高精度量子邏輯門、多比特量子糾纏等量子計算的基本要素方面積累了大量關(guān)鍵技術(shù)。我國在硅基量子點的量子計算方向上與國際主要研究力量處于并跑水平。此外，由于拓撲量子計算在容錯能力上的優(yōu)越性，利用拓撲體系實現(xiàn)通用量子計算是國際上面向長遠的重要研究目標。目前國內(nèi)外均在為實現(xiàn)單個拓撲量子比特這一“0到1”的突破而努力。

量子計算的未來發(fā)展

在實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”的階段目標后，未來量子計算的發(fā)展將集中在兩個方面：

一是繼續(xù)提升量子計算性能。為了實現(xiàn)容錯量子計算，首要考慮的就是如何高精度地擴展量子計算系統(tǒng)規(guī)模。在實現(xiàn)量子比特擴展的時候，比特的數(shù)量和質(zhì)量都極其重要，需要實驗的每個環(huán)節(jié)(量子態(tài)的制備、操控和測量)都要保持高精度、低噪聲，并且隨著量子比特數(shù)目的增加，噪聲和串擾等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對量子體系的設(shè)計、加工和調(diào)控帶來了巨大的挑戰(zhàn)，仍需大量科學(xué)和工程的協(xié)同努力。

二是探索量子計算應(yīng)用。預(yù)計未來5年，量子計算有望突破上千比特，雖然暫時還無法實現(xiàn)容錯的通用量子計算，但科學(xué)家們希望探索在帶噪聲的量子計算(NISQ)階段，將量子計算應(yīng)用于機器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域，形成近期應(yīng)用。

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