量子計算，到底如何計算?

半月談記者 何曦悅

從谷歌的“垂柳”到中國的“祖沖之三號”，量子計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?量子計算，為什么這么重要?“量子計算原型機”，為啥不能把“原型”兩字省掉?

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

點火：原型機新啟航

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

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

“祖沖之三號”芯片示意圖

原型機?對，就是尚在實驗階段的量子計算機，它究竟和成熟的量子計算機有何不同?

量子計算原型機能夠驗證量子比特的疊加、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)典計算機的潛力，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。我們常看到汽車廠商隔三岔五推出驚艷炫目、不過暫時還無法量產(chǎn)的“概念車”，量子計算原型機也是這樣的存在。

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

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

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

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，歷史上蒸汽機車曾經(jīng)比馬車還要慢。如果說火車“改朝換代”的時刻，可以從蒸汽機車速度第一次超越馬車算起，那么在量子計算的演進(jìn)史上，大家關(guān)注的指標(biāo)，就是“量子計算優(yōu)越性”——量子計算機在特定的問題求解上，表現(xiàn)出超越經(jīng)典計算機的能力。

2019年，谷歌的“懸鈴木”超導(dǎo)處理器首次宣稱實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性，僅需200秒，就能解決當(dāng)時世界上最快的超級計算機需要1萬年才能完成的運算。這就像是計算世界的武館，迎來了第一位踢館的少年。一年之后，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，使我國成為第二個實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性的國家。2021年，中國團(tuán)隊?wèi){借“祖沖之二號”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”以更優(yōu)性能重奪領(lǐng)先地位。

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

為何需要這么多比特?是因為量子計算理論上所說的比特，是指完美的、不會發(fā)生任何錯誤的比特，專業(yè)上稱“邏輯比特”。然而現(xiàn)實中的東西總是不完美的，目前各類量子計算機原型機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，量子糾錯這一重要課題就出現(xiàn)了，簡單來說，就是“增加冗余的量子比特數(shù)”，通過把多個物理量子比特編碼為一個邏輯量子比特，實現(xiàn)糾錯。物理量子比特越多，就越能降低錯誤發(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。如果只讓一個量子比特獨唱，遇到干擾稍一走調(diào)，整首歌就毀了。而量子糾錯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誤，讓整體旋律保持和諧。

不消說，為了糾錯，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率低于一個特定的值，不然只會“越糾越錯”。再怎么說，合唱團(tuán)也不能招五音不全的團(tuán)員啊!

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

“祖沖之號”量子計算原型機總設(shè)計師朱曉波（右）與學(xué)生討論制冷機狀態(tài) 代蕊 攝

遠(yuǎn)眺：通用計算風(fēng)起

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

如今離實際應(yīng)用尚還遙遠(yuǎn)的量子計算原型機，正是下一個紀(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。超導(dǎo)量子、光量子、離子阱、半導(dǎo)體量子點、中性原子……也許我們還不能確定通用量子計算機會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)量子計算作為一種固態(tài)量子計算方案，具有可擴(kuò)展性好、量子比特相干時間長、操作速度快、保真度高等眾多優(yōu)點，技術(shù)路線相對成熟，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)境運行，糾錯與噪聲抑制目前表現(xiàn)也不理想，仰賴大量冗余和復(fù)雜的糾錯算法才能實現(xiàn)容錯計算。

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，中國是眼下全球唯一在超導(dǎo)和光量子兩條路線都實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性的國家，離子阱、超冷原子等多條技術(shù)路線也是生機勃勃。

誠如潘建偉院士所言，量子信息技術(shù)還需要長期發(fā)展，一個積極、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”的里程碑，或許只是序章。

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