在科技日新月異的今天，量子計(jì)算這一前沿領(lǐng)域每隔一段時(shí)間就會(huì)傳來(lái)令人振奮的消息。近期，谷歌公司公布了一款名為Willow的新量子芯片，它擁有高達(dá)105個(gè)“量子比特”，這一成就再次刷新了人們對(duì)量子計(jì)算的認(rèn)知。

據(jù)悉，這款量子計(jì)算機(jī)能夠在短短五分鐘內(nèi)解決一個(gè)計(jì)算問(wèn)題，而如果使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，則需要花費(fèi)比宇宙歷史還要長(zhǎng)的時(shí)間。幾乎與此同時(shí)，由中國(guó)科學(xué)家研制的同樣擁有105個(gè)量子比特的“祖沖之三號(hào)”量子計(jì)算機(jī)也在學(xué)術(shù)預(yù)發(fā)布平臺(tái)arXiv上發(fā)表了研究成果。中美兩國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，呈現(xiàn)出你追我趕的激烈態(tài)勢(shì)。

盡管量子計(jì)算機(jī)距離真正實(shí)用化還有很長(zhǎng)的路要走，但無(wú)數(shù)科學(xué)家已經(jīng)投身其中，致力于讓這一夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。其中，中國(guó)科學(xué)院院士、深圳國(guó)際量子研究院院長(zhǎng)、南方科技大學(xué)講席教授俞大鵬便是其中的佼佼者。他早年研究納米技術(shù)，近年來(lái)則領(lǐng)導(dǎo)成立了深圳國(guó)際量子研究院，帶領(lǐng)眾多青年才俊在量子計(jì)算領(lǐng)域取得了顯著成果。

近日，證券時(shí)報(bào)記者對(duì)俞大鵬院士進(jìn)行了專訪，就量子計(jì)算的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入探討。俞教授感嘆，量子計(jì)算機(jī)是人類挑戰(zhàn)操控微觀世界極限能力的世紀(jì)系統(tǒng)工程，其復(fù)雜性和難度超乎想象。

微觀世界

量子計(jì)算，這一建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的新興領(lǐng)域，對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)或許還顯得神秘莫測(cè)。其實(shí)，量子理論是由一系列杰出的物理學(xué)家在20世紀(jì)初共同奠定的。德國(guó)物理學(xué)家普朗克在1900年首次提出了量子的概念，隨后愛(ài)因斯坦、玻爾、薛定諤、狄拉克等人紛紛加入，共同揭示了量子現(xiàn)象的奧秘。在20世紀(jì)的前半期，一個(gè)完整的量子力學(xué)理論框架逐漸建立起來(lái)。

物質(zhì)是由不可分割的原子構(gòu)成的。但在比原子還小的微觀世界里，存在著電子、光子、夸克和膠子等基本粒子。這些粒子的存在和運(yùn)動(dòng)方式讓物理學(xué)家們驚嘆不已。他們通過(guò)一系列的觀察和推算，逐漸揭示出了這些微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。科學(xué)界將納米尺度（即原子的大?。┮韵碌奈⒂^世界所遵循的力學(xué)原理稱為量子力學(xué)。

量子運(yùn)動(dòng)具有非連續(xù)性、不可分割性，以及疊加和糾纏等特性。其中，疊加態(tài)是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)之中，而糾纏態(tài)則是指兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間存在一種神秘的關(guān)聯(lián)，使得它們的狀態(tài)無(wú)法被單獨(dú)描述。這些特性使得量子世界充滿了奇妙和神秘。

對(duì)于量子狀態(tài)的最著名描述來(lái)自于薛定諤的貓實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，一只貓可以同時(shí)處于生與死的疊加狀態(tài)。但當(dāng)我們打開(kāi)籠子觀察時(shí)，貓就會(huì)“坍縮”到生或者死這一種確定的狀態(tài)。這種奇特的現(xiàn)象讓人難以理解，甚至像愛(ài)因斯坦這樣的科學(xué)巨匠也感到費(fèi)解。他曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“上帝為什么會(huì)擲骰子呢？”這句話表達(dá)了他對(duì)量子世界不確定性的困惑。

薛定諤本人在量子力學(xué)上取得了卓越的成就，但他同時(shí)也是一個(gè)懷疑者。他提出的“薛定諤的貓”這一例子，原本是對(duì)量子現(xiàn)象的一種質(zhì)疑和反思，但后來(lái)卻成為了普通人了解量子理論的一個(gè)重要通道。

這些偉大的物理學(xué)家們自幼學(xué)習(xí)的是經(jīng)典物理學(xué)，他們認(rèn)為世界是可知的、確定的、可描述的。然而，當(dāng)他們踏入微觀世界的大門時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的、充滿挑戰(zhàn)和未知的世界。他們不斷地解釋各種現(xiàn)象，提出各種天才的公式和理論，不斷地顛覆自己的認(rèn)知。

正是在這樣的背景下，量子計(jì)算機(jī)的概念應(yīng)運(yùn)而生。1982年，理查德·費(fèi)曼首次提出了量子計(jì)算機(jī)的概念。他認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)可以通過(guò)模擬量子力學(xué)現(xiàn)象來(lái)解決某些經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理的問(wèn)題。這一想法為計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了一條全新的道路。

對(duì)比

現(xiàn)行計(jì)算機(jī)都是基于電流的開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行運(yùn)算的。通過(guò)一開(kāi)一關(guān)的組合，計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)算功能。這種運(yùn)算方式可以用簡(jiǎn)單的代碼簡(jiǎn)化為1和0的組合，原理簡(jiǎn)單易懂。

然而，量子計(jì)算機(jī)則完全不同。它以量子比特為基本運(yùn)算單元。與經(jīng)典比特不同，量子比特利用的是量子世界的疊加規(guī)律。這意味著一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于0和1之間的任何兩個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)中，只是概率大小不同而已。這種疊加態(tài)的特性使得量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，大大提高了運(yùn)算效率。

為了更直觀地解釋量子計(jì)算的威力，俞大鵬院士喜歡用迷宮來(lái)作比喻。他說(shuō)：“如果我們派100個(gè)人走一個(gè)特別復(fù)雜的迷宮，每個(gè)人相當(dāng)于一個(gè)經(jīng)典比特。這100個(gè)人不允許帶手機(jī)交流，只能試錯(cuò)前進(jìn)。最后這100個(gè)人全部從出口出來(lái)，這相當(dāng)于他們各自獨(dú)立完成了自己的任務(wù)，互相之間沒(méi)有糾纏和干擾。但如果我們用量子計(jì)算機(jī)派出100個(gè)量子比特去走這個(gè)迷宮呢？它們會(huì)構(gòu)筑一個(gè)2的100次方的線波特態(tài)空間。這相當(dāng)于孫悟空拔出一根毫毛變出了2的100次方個(gè)猴子，每個(gè)猴子都能同時(shí)去探路。這些猴子之間互相糾纏、相干相消，走通的地方就消失了，走不通的地方則省去了很多計(jì)算的過(guò)程。這就是量子計(jì)算機(jī)無(wú)與倫比的計(jì)算模式優(yōu)勢(shì)。”

可以看出，經(jīng)典計(jì)算機(jī)是通過(guò)串聯(lián)的方式逐個(gè)解決問(wèn)題的，而量子計(jì)算機(jī)則是通過(guò)并聯(lián)的方式同時(shí)處理多個(gè)問(wèn)題的。這種差異使得量子計(jì)算機(jī)在處理某些特定問(wèn)題時(shí)具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

算法與實(shí)現(xiàn)

量子計(jì)算的算法是其核心所在?？茖W(xué)家們構(gòu)建了許多工具來(lái)計(jì)算和描述量子的狀態(tài)。比如將量子的狀態(tài)想象為一個(gè)布洛赫球，使用傅里葉變換算法來(lái)計(jì)算其某個(gè)狀態(tài)的概率。這些算法為量子計(jì)算提供了強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)。

在量子計(jì)算中，常見(jiàn)的量子門有Hadamard門、CNOT門和Pauli-X門等。這些量子門相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的邏輯門，用于對(duì)量子比特進(jìn)行操作和運(yùn)算。通過(guò)組合這些量子門，科學(xué)家們可以構(gòu)建出各種復(fù)雜的量子算法來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

其中，Shor算法是量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重要突破。它由科學(xué)家彼得·肖爾在1994年提出，利用量子疊加態(tài)進(jìn)行大數(shù)分解。這一算法能夠在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)完成經(jīng)典算法需要指數(shù)時(shí)間才能完成的任務(wù)。隨后，肖爾又在1995年提出了量子糾錯(cuò)方法，解決了量子觀察引起的坍縮問(wèn)題，為量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)掃清了巨大障礙。在此之前，量子計(jì)算在很大程度上被視為一種思想實(shí)驗(yàn)；而此后，科學(xué)家們開(kāi)始認(rèn)真考慮量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的可能性。

此外，美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家格羅弗在1996年提出了量子搜索算法（Grover算法）。該算法利用量子疊加態(tài)進(jìn)行快速搜索，能夠在平方根的時(shí)間內(nèi)找到目標(biāo)項(xiàng)。這一算法的提出進(jìn)一步證明了量子計(jì)算在處理特定問(wèn)題時(shí)的巨大優(yōu)勢(shì)。

隨著量子計(jì)算算法的不斷突破和進(jìn)步，人們開(kāi)始相信實(shí)際構(gòu)建一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)在原理上是可行的。于是，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和工程師們正式登上了歷史舞臺(tái)。他們開(kāi)始嘗試各種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。

目前，量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)路線有多種，其中超導(dǎo)量子計(jì)算是主流之一。1999年，日本NEC公司首次展示了超導(dǎo)電路控制量子比特的方法。

全球范圍內(nèi)走超導(dǎo)路線的量子計(jì)算機(jī)占比高達(dá)42%。除了超導(dǎo)量子計(jì)算外，還有離子阱、光量子、中性原子、硅自旋以及拓?fù)浼夹g(shù)路線等多種選擇。其中，離子阱路線占比38%，也是非常重要的一個(gè)方向。然而，每種技術(shù)路線都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性。例如，使用光鑷?yán)Ы行栽踊蚴褂秒姶畔葳謇Ыx子的方法雖然相干時(shí)間長(zhǎng)，但可擴(kuò)展性差。

超導(dǎo)量子比特芯片加工工藝與半導(dǎo)體行業(yè)微納加工工藝相似，具有器件結(jié)構(gòu)尺寸較大、成品率高、耦合容易且形式靈活多樣、可擴(kuò)展性高以及操控速度快等優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使得超導(dǎo)量子計(jì)算成為最有可能實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的路線之一。

設(shè)備

科學(xué)家們只有能對(duì)量子精確控制，使其進(jìn)入并維持在量子態(tài)，才有可能進(jìn)行高效計(jì)算操作。然而，量子控制的難度之大，遠(yuǎn)非傳統(tǒng)技術(shù)所能比擬。盡管早在1999年，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的概念就已提出，但將其從理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用，仍需跨越重重難關(guān)。

俞大鵬院士上世紀(jì)90年代便對(duì)量子計(jì)算產(chǎn)生濃厚興趣，深知這一領(lǐng)域的門檻之高。“量子計(jì)算，無(wú)疑是科學(xué)界的貴族領(lǐng)域。”他坦言，“它不僅需要高精尖的設(shè)備支持，更需投入巨額資金。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)具備這樣條件的單位屈指可數(shù)，北大、清華等少數(shù)名校方才有此實(shí)力?！绷孔佑?jì)算的核心，在于對(duì)量子態(tài)的精準(zhǔn)操控，而非簡(jiǎn)單的原子層面操作。因此，高精尖的設(shè)備成為了不可或缺的基石。

在北大深耕納米材料研究的二十年間，俞大鵬院士逐漸掌握了量子調(diào)控的技藝。納米結(jié)構(gòu)中的量子效應(yīng)，為他的研究提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)納米線施加電、磁、熱、光等多種外部刺激，他深入探究了量子態(tài)的性質(zhì)及其調(diào)控規(guī)律。這些技術(shù)，不僅為納米材料的研究開(kāi)辟了新徑，更為后續(xù)的量子計(jì)算研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2016年，俞大鵬院士攜手南方科技大學(xué)與深圳當(dāng)?shù)卣餐瑒?chuàng)立了深圳量子研究院。在歷經(jīng)多次選址后，研究院最終在福田落戶，擁有了一萬(wàn)多平方米的辦公空間。這一舉措，不僅為量子計(jì)算的研究提供了全新的平臺(tái)，更標(biāo)志著我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

2018年，面對(duì)量子計(jì)算可能遭遇的技術(shù)封鎖，俞大鵬院士展現(xiàn)出了前瞻性的戰(zhàn)略眼光。他開(kāi)始著手布局支撐我國(guó)量子計(jì)算的根技術(shù)和核心工具，其中電子束光刻機(jī)尤為關(guān)鍵。作為加工量子芯片和量子器件的核心設(shè)備，電子束光刻機(jī)的自主研發(fā)對(duì)于我國(guó)量子計(jì)算的發(fā)展至關(guān)重要。在廣東省科技廳的大力支持下，深圳國(guó)際量子研究院成功實(shí)現(xiàn)了電子束光刻機(jī)的國(guó)產(chǎn)替代和自主可控，為國(guó)內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)提供了緊急支持，實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破。

2019年，深圳國(guó)際量子研究院又踏上了新的征程——研發(fā)制冷機(jī)。對(duì)于超導(dǎo)量子計(jì)算而言，低溫環(huán)境是維持量子態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵。稀釋制冷機(jī)能夠制造出接近絕對(duì)零度的極端低溫環(huán)境，為量子計(jì)算提供了必要的保障。目前，該制冷機(jī)已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，并取得了技術(shù)上的重大突破。

如今，深圳國(guó)際量子研究院已實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自主可控和全鏈條自主加工，不僅提升了我國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，更為南方科技大學(xué)的物理學(xué)科注入了新的活力。該學(xué)科在研究院的支撐下，躋身全國(guó)前列。

深圳國(guó)際量子研究院

在深圳國(guó)際量子研究院的實(shí)驗(yàn)室里，可以看到科學(xué)家們?yōu)榱孔佑?jì)算所做的各種嘗試和努力。實(shí)驗(yàn)室里非常安靜，工作人員在靜靜地工作著，機(jī)器也幾乎沒(méi)有發(fā)出任何噪音。這里的研究范圍非常廣泛，包括超導(dǎo)量子計(jì)算、離子阱計(jì)算等多個(gè)方向。實(shí)驗(yàn)室里擺放著各種儀器和設(shè)備，工作人員不僅要操作這些儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)儀器進(jìn)行改造和優(yōu)化。

記者在現(xiàn)場(chǎng)看到了一臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。最顯眼的部分是稀釋制冷機(jī)，它扎滿了銅管，從上到下逐漸縮小，逐層把溫度降低到接近絕對(duì)零度。而超導(dǎo)量子芯片作為核心零部件，則位于稀釋制冷機(jī)的最下部，顯得非常不起眼。

這臺(tái)機(jī)器還需要配備室溫操控系統(tǒng)來(lái)讀取并指令量子比特進(jìn)行工作。室溫操控系統(tǒng)通過(guò)低溫信號(hào)傳輸系統(tǒng)與量子比特進(jìn)行連接和通信。此外，還需要低噪音和磁場(chǎng)屏蔽的設(shè)備來(lái)確保量子比特不會(huì)受到外界環(huán)境的干擾和破壞。因?yàn)闊岷凸獾仍胍魰?huì)導(dǎo)致量子退相干現(xiàn)象的發(fā)生，使得量子比特失去其量子特性（疊加和糾纏）以及存儲(chǔ)的信息。

當(dāng)然，這臺(tái)機(jī)器還需要接入到經(jīng)典計(jì)算機(jī)中進(jìn)行控制和管理。因?yàn)楸M管量子計(jì)算機(jī)在處理某些特定問(wèn)題時(shí)具有巨大優(yōu)勢(shì)，但它仍然需要經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)輔助完成一些基礎(chǔ)性的工作和任務(wù)。

深圳國(guó)際量子研究院與著名科學(xué)家潘建偉團(tuán)隊(duì)共同證明了薛定諤波動(dòng)方程中負(fù)數(shù)根號(hào)的重要性，這一發(fā)現(xiàn)解決了長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多世紀(jì)的學(xué)術(shù)爭(zhēng)議。

量子計(jì)算作為前沿科技領(lǐng)域，其運(yùn)算過(guò)程與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)存在顯著差異。由于量子態(tài)的不穩(wěn)定性，從命令發(fā)布到執(zhí)行均難以保證絕對(duì)準(zhǔn)確，因此提升量子計(jì)算的糾錯(cuò)能力顯得尤為重要。針對(duì)這一難題，深圳國(guó)際量子研究院超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室的助理研究員徐源課題組，攜手福州大學(xué)教授鄭仕標(biāo)及清華大學(xué)副教授孫麓巖等專家，通過(guò)實(shí)時(shí)重復(fù)的量子糾錯(cuò)技術(shù)，成功延長(zhǎng)了量子信息的存儲(chǔ)時(shí)間。這一突破性成果已在《自然》網(wǎng)站上發(fā)表，引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

今年2月29日，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)揭曉了2023年度“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”，深圳國(guó)際量子研究院的上述量子糾錯(cuò)研究成果入選，被譽(yù)為“容錯(cuò)量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重大里程碑”。

據(jù)俞大鵬院士介紹，量子計(jì)算機(jī)的錯(cuò)誤率遠(yuǎn)高于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，達(dá)到了13個(gè)量級(jí)的差異。因此，如果不進(jìn)行糾錯(cuò)處理，量子計(jì)算機(jī)將難以發(fā)揮其實(shí)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)的量子糾錯(cuò)方法往往會(huì)引入新的錯(cuò)誤，導(dǎo)致糾錯(cuò)效果適得其反。深圳國(guó)際量子研究院的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)，成功打破了這一僵局，實(shí)現(xiàn)了量子糾錯(cuò)的增益和效益，即“越糾越對(duì)”的良性循環(huán)。

在谷歌公布其最新量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)盈虧點(diǎn)的消息之前，中國(guó)科學(xué)家已領(lǐng)先一步實(shí)現(xiàn)了這一關(guān)鍵性突破。

挑戰(zhàn)

目前，量子計(jì)算機(jī)仍處于量子霸權(quán)或量子優(yōu)越性階段，即雖能證明在某些特定問(wèn)題上比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快，但尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

俞大鵬院士認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)是一項(xiàng)世紀(jì)系統(tǒng)工程，挑戰(zhàn)著人類操控微觀世界的極限能力。目前，量子計(jì)算領(lǐng)域存在多種平臺(tái)和技術(shù)路線，但尚無(wú)定論哪種將最終勝出。每一條技術(shù)路線都存在著潛在的缺陷和未知風(fēng)險(xiǎn)。前幾年，曾有科技團(tuán)隊(duì)在權(quán)威雜志上發(fā)表文章，聲稱突破了拓?fù)溆?jì)算的短板，但最終因無(wú)法復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果而撤稿。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，為量子計(jì)算提供了有益的借鑒。從笨拙到靈敏，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的發(fā)展離不開(kāi)一代代科學(xué)家的不懈努力和晶體管的發(fā)現(xiàn)。然而，在量子計(jì)算領(lǐng)域，科學(xué)家們?nèi)栽谔剿骱线m的材料和方法。盡管已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但未來(lái)仍充滿不確定性。那些看似停滯不前的技術(shù)路線，也可能因某個(gè)突發(fā)的發(fā)明而迎來(lái)突飛猛進(jìn)的發(fā)展；而那些尚未被發(fā)現(xiàn)的路徑，或許正隱藏著通往量子計(jì)算終極目標(biāo)的鑰匙。

科學(xué)家正在積極探索，即使某些嘗試最終證明是此路不通，也是通往成功之路上不可或缺的寶貴經(jīng)驗(yàn)。谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人哈特穆特·內(nèi)文曾預(yù)測(cè)，能夠?qū)嶋H應(yīng)用于商業(yè)場(chǎng)景的量子計(jì)算機(jī)在2030年之前可能不會(huì)出現(xiàn)。但科學(xué)家們相信，只要堅(jiān)持不懈地努力下去，總有一天能夠揭開(kāi)量子計(jì)算的神秘面紗。