半月談?dòng)浾?何曦悅

從谷歌的“垂柳”到中國(guó)的“祖沖之三號(hào)”，量子計(jì)算的新突破總能登上科技進(jìn)展的頭條。打開新聞一看，“比特”“糾纏”……都是些啥?量子計(jì)算，為什么這么重要?“量子計(jì)算原型機(jī)”，為啥不能把“原型”兩字省掉?

當(dāng)然不能省。要理解量子計(jì)算，我們的故事就得從原型機(jī)講起。自然，更好的方式，是從中國(guó)科學(xué)家的最新突破，“祖沖之三號(hào)”講起……

點(diǎn)火：原型機(jī)新啟航

祖沖之，中國(guó)古代最偉大的數(shù)學(xué)家之一。量子計(jì)算界的“祖沖之”，本事同樣不小。

3月3日，中國(guó)科學(xué)家發(fā)布了他們成功構(gòu)建的目前最高水準(zhǔn)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)——105比特超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)“祖沖之三號(hào)”，處理“量子隨機(jī)線路采樣”問題的速度比目前國(guó)際最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快千萬億倍，再次打破超導(dǎo)體系量子計(jì)算優(yōu)越性世界紀(jì)錄。

“祖沖之三號(hào)”芯片示意圖

原型機(jī)?對(duì)，就是尚在實(shí)驗(yàn)階段的量子計(jì)算機(jī)，它究竟和成熟的量子計(jì)算機(jī)有何不同?

量子計(jì)算原型機(jī)能夠驗(yàn)證量子比特的疊加、糾纏等核心特性，在某些特定任務(wù)上已經(jīng)展現(xiàn)出超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的潛力，科學(xué)家尤其看重的，是它可以作為探索如何構(gòu)建規(guī)模更大、更穩(wěn)定的量子系統(tǒng)的平臺(tái)。我們常看到汽車廠商隔三岔五推出驚艷炫目、不過暫時(shí)還無法量產(chǎn)的“概念車”，量子計(jì)算原型機(jī)也是這樣的存在。

如果把量子計(jì)算比作人類邁向浩瀚星宇的“三級(jí)火箭”，那么量子計(jì)算原型機(jī)就是第一級(jí)引擎的“點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)”。它還做不到直接登陸月球，但可驗(yàn)證某一技術(shù)路徑能否掙脫經(jīng)典物理的“引力”束縛，沖向計(jì)算能力的深空。這是通向通用量子計(jì)算機(jī)的必經(jīng)之路。

目前，驅(qū)遣量子系統(tǒng)高速計(jì)算，還面臨著退相干、噪聲干擾和量子糾錯(cuò)等挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家必須不斷優(yōu)化量子比特的設(shè)計(jì)，改進(jìn)冷卻和隔離技術(shù)，設(shè)計(jì)更加高效的糾錯(cuò)算法，才能讓原型機(jī)日益成熟。這一階段，就像對(duì)概念車進(jìn)行嚴(yán)苛的道路測(cè)試和安全認(rèn)證，只有通過層層考驗(yàn)，才能逐步改進(jìn)設(shè)計(jì)，迎來批量生產(chǎn)。

值得說明的是，眼下一些量子計(jì)算產(chǎn)品盡管已試水商業(yè)市場(chǎng)，究其本質(zhì)仍是原型機(jī)，實(shí)際使用時(shí)仍然受限于量子比特的數(shù)量和錯(cuò)誤率，計(jì)算能力還無法全面超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)。

試煉：如何優(yōu)化闖關(guān)

如今我們已經(jīng)習(xí)慣乘坐高鐵高效出行，但是不要忘了，歷史上蒸汽機(jī)車曾經(jīng)比馬車還要慢。如果說火車“改朝換代”的時(shí)刻，可以從蒸汽機(jī)車速度第一次超越馬車算起，那么在量子計(jì)算的演進(jìn)史上，大家關(guān)注的指標(biāo)，就是“量子計(jì)算優(yōu)越性”——量子計(jì)算機(jī)在特定的問題求解上，表現(xiàn)出超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力。

2019年，谷歌的“懸鈴木”超導(dǎo)處理器首次宣稱實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性，僅需200秒，就能解決當(dāng)時(shí)世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)需要1萬年才能完成的運(yùn)算。這就像是計(jì)算世界的武館，迎來了第一位踢館的少年。一年之后，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，使我國(guó)成為第二個(gè)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性的國(guó)家。2021年，中國(guó)團(tuán)隊(duì)?wèi){借“祖沖之二號(hào)”反超“懸鈴木”，2024年谷歌再度刷新紀(jì)錄，而近期發(fā)布的“祖沖之三號(hào)”以更優(yōu)性能重奪領(lǐng)先地位。

全球頂尖團(tuán)隊(duì)巔峰對(duì)決，你追我趕，但并非跨過了量子計(jì)算優(yōu)越性的門檻就萬事大吉了?，F(xiàn)階段的量子計(jì)算優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)，就像是專家們?yōu)榱孔佑?jì)算機(jī)量身打造的“考卷”，它們非常適合量子計(jì)算設(shè)備發(fā)揮潛力，包括“隨機(jī)線路采樣”“玻色采樣”等，但可惜，還沒有太多實(shí)用價(jià)值。目前科學(xué)界的共識(shí)是，一臺(tái)能求解有實(shí)用價(jià)值問題的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，需要有上百萬個(gè)量子比特。

為何需要這么多比特?是因?yàn)榱孔佑?jì)算理論上所說的比特，是指完美的、不會(huì)發(fā)生任何錯(cuò)誤的比特，專業(yè)上稱“邏輯比特”。然而現(xiàn)實(shí)中的東西總是不完美的，目前各類量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)中的量子比特也是這樣，它們叫做“物理比特”，極易受噪聲影響。

因此，量子糾錯(cuò)這一重要課題就出現(xiàn)了，簡(jiǎn)單來說，就是“增加冗余的量子比特?cái)?shù)”，通過把多個(gè)物理量子比特編碼為一個(gè)邏輯量子比特，實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)。物理量子比特越多，就越能降低錯(cuò)誤發(fā)生率。

你可以把量子比特想象成一群容易跑調(diào)的合唱團(tuán)員。如果只讓一個(gè)量子比特獨(dú)唱，遇到干擾稍一走調(diào)，整首歌就毀了。而量子糾錯(cuò)就像讓幾人一組齊唱同一句歌詞：即使其中一人跑調(diào)，剩下幾位的正確音高仍能糾正錯(cuò)誤，讓整體旋律保持和諧。

不消說，為了糾錯(cuò)，需要充足的物理量子比特。而且，要想邏輯量子比特表現(xiàn)得比物理量子比特更優(yōu)異，本身要求物理量子比特的出錯(cuò)率低于一個(gè)特定的值，不然只會(huì)“越糾越錯(cuò)”。再怎么說，合唱團(tuán)也不能招五音不全的團(tuán)員啊!

中國(guó)的“祖沖之三號(hào)”除了量子計(jì)算優(yōu)越性取得新突破，在量子糾錯(cuò)方面也頗有進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)總設(shè)計(jì)師朱曉波介紹，今年，團(tuán)隊(duì)正在開展碼距為7的表面碼糾錯(cuò)研究，希望接下來能擴(kuò)展到9乃至11，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。

“祖沖之號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)總設(shè)計(jì)師朱曉波（右）與學(xué)生討論制冷機(jī)狀態(tài) 代蕊 攝

遠(yuǎn)眺：通用計(jì)算風(fēng)起

20世紀(jì)30年代，“圖靈機(jī)”的概念被提出，10年之后，世界上第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)誕生。當(dāng)時(shí)的人們面對(duì)著這臺(tái)占地面積150平方米、總重量約27噸的笨重大家伙，可能很難想象，它會(huì)帶領(lǐng)人們步入產(chǎn)業(yè)革命的新紀(jì)元——信息時(shí)代。

如今離實(shí)際應(yīng)用尚還遙遠(yuǎn)的量子計(jì)算原型機(jī)，正是下一個(gè)紀(jì)元的種子。目前，全球科學(xué)家各顯神通，不同技術(shù)路線可謂千帆相競(jìng)。超導(dǎo)量子、光量子、離子阱、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、中性原子……也許我們還不能確定通用量子計(jì)算機(jī)會(huì)從哪一條賽道脫穎而出，但目前最受關(guān)注的，是超導(dǎo)和光學(xué)體系兩家。

超導(dǎo)量子計(jì)算作為一種固態(tài)量子計(jì)算方案，具有可擴(kuò)展性好、量子比特相干時(shí)間長(zhǎng)、操作速度快、保真度高等眾多優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)路線相對(duì)成熟，易于利用現(xiàn)有半導(dǎo)體、超導(dǎo)工藝設(shè)備制造和集成。但它依賴極低溫環(huán)境運(yùn)行，糾錯(cuò)與噪聲抑制目前表現(xiàn)也不理想，仰賴大量冗余和復(fù)雜的糾錯(cuò)算法才能實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)計(jì)算。

光量子比特具有不怕干擾的特性，能夠在室溫環(huán)境下可靠地執(zhí)行計(jì)算，但是由于光子間相互作用過于玄妙，難以執(zhí)行復(fù)雜量子門，目前看只適合專攻特定問題。

值得欣喜的是，中國(guó)是眼下全球唯一在超導(dǎo)和光量子兩條路線都實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性的國(guó)家，離子阱、超冷原子等多條技術(shù)路線也是生機(jī)勃勃。

誠(chéng)如潘建偉院士所言，量子信息技術(shù)還需要長(zhǎng)期發(fā)展，一個(gè)積極、理性且促進(jìn)合作的環(huán)境是必要的。新一輪量子革命需要耐心催化，而“祖沖之三號(hào)”的里程碑，或許只是序章。

通用量子計(jì)算的星火燃起之際，世界會(huì)煥發(fā)出新的光彩嗎?這是一件值得期待的事。