在科技飛速發(fā)展的今天，量子計算機逐漸進入大眾的視野，它被視為未來科技的關(guān)鍵力量，擁有著超越傳統(tǒng)計算機的強大能力。那么，量子計算機究竟是什么？它為何如此強大？我國在這一領(lǐng)域又取得了哪些令人矚目的成果呢？今天，就讓我們一起走進量子計算機的神奇世界。

1、量子先鋒：“本源悟空”

當傳統(tǒng)計算機還在摩爾定律的盡頭徘徊時，一臺名為“本源悟空”的超導量子計算機正在中國安徽合肥的實驗室中悄然運轉(zhuǎn)。

“本源悟空”搭載了72位自主超導量子芯片，已面向全球139個國家用戶提供量子計算云服務，完成了36萬個量子計算任務。

這臺中國自主研制的第三代超導量子計算機，以《西游記》中“七十二變”的孫悟空為名，既隱喻量子疊加（詳見《知識就是力量》2023年3月刊）的無限可能，也象征著中國科技自主研發(fā)的決心——它的成功上線，標志著我國在量子計算領(lǐng)域的自主研發(fā)能力已達到國際領(lǐng)先水平，中國自主超導量子計算機制造鏈成鏈。

什么是摩爾定律

當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，每隔18～24個月便會增加一倍，性能也會大幅提升。這意味著在一定的成本下，計算機等電子設(shè)備的運算能力會不斷快速增強，而這種進步推動了整個信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，讓電子產(chǎn)品變得越來越強大、越來越高效，同時價格還能保持相對穩(wěn)定或逐漸降低。

2、量子計算機為什么這么快？

比特是“二進制位”的簡稱，它只有兩種狀態(tài)，就像一個開關(guān)，要么是開的，要么是關(guān)的。在計算機中，這兩種狀態(tài)通常用數(shù)字“0”和“1”來表示。

量子比特是量子計算的基石。不同于傳統(tǒng)比特只能處于0或1的單一狀態(tài)，量子比特通過量子疊加原理，可同時表征0和1的疊加態(tài)。量子比特并行性使其信息存儲量隨比特數(shù)呈指數(shù)增長——當量子比特數(shù)達到250個時，其存儲能力已超越宇宙中已知的原子總數(shù)。

這就如同一枚高速旋轉(zhuǎn)的硬幣，既非正面也非反面，而是同時承載著所有可能性。這種量子疊加讓單個量子比特就能存儲傳統(tǒng)計算機兩個比特的信息，而當多個量子比特糾纏在一起時，計算能力會呈指數(shù)級爆發(fā)——每增加一個量子比特，計算能力便翻倍增長。

“本源悟空”的72個量子比特能同時處理272種可能性，相當于傳統(tǒng)計算機需要2萬億個存儲單元才能實現(xiàn)的并行計算。

“本源悟空”等多臺量子計算機真機（攝影 / 孫超）

傳統(tǒng)計算機處理問題如同在迷宮中逐一嘗試路徑，而量子計算機則能同時探索所有可能的路徑，直接找到出口。例如，在藥物分子模擬領(lǐng)域，傳統(tǒng)超算需要數(shù)月才能窮舉所有分子組合，而量子計算機能在幾分鐘內(nèi)完成。這種能力使得量子計算機在密碼學、優(yōu)化問題和人工智能等領(lǐng)域展現(xiàn)出顛覆性的潛力。

3、量子計算的“加速器”

中國首條量子芯片生產(chǎn)線 （來源 / 安徽省量子計算工程研究中心）

超導量子計算機制造鏈有多個關(guān)鍵點，包括芯片、測控系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、軟件及操作系統(tǒng)等。

01 “大腦”——量子芯片

量子芯片是量子計算機的“大腦”，是實現(xiàn)量子計算的核心硬件組件。簡單來說，它的作用類似于傳統(tǒng)計算機中的處理器。“本源悟空”搭載的超導量子芯片“悟空芯”，產(chǎn)自中國首條量子芯片生產(chǎn)線。

工作人員正在操作儀器，加工量子芯片 （來源 / 安徽省量子計算工程研究中心）

中國第三代自主72比特超導量子芯片模型

02 “指揮官”——量子計算測控系統(tǒng)

量子計算測控系統(tǒng)能夠提供量子芯片的運行環(huán)境與接口，生成、采集、控制與處理量子芯片所需的精密信號，從而讓量子芯片最大程度發(fā)揮其性能優(yōu)勢。

“本源悟空”搭載了中國首個自主量子計算測控系統(tǒng)——本源第三代量子計算測控系統(tǒng)“本源天機”。它首次實現(xiàn)了我國量子芯片的批量自動化測試，大幅提升了量子計算機整機運行效率。

03 “大管家”——量子計算機操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是計算機軟硬件的“大管家”，也是決定其性能的關(guān)鍵。“本源悟空”搭載了我國首個量子計算機操作系統(tǒng)——本源司南3.0。該系統(tǒng)在國內(nèi)率先實現(xiàn)了支持量子計算任務的批處理，且可將計算任務在量子計算機和超級計算機之間進行分解、調(diào)度和分配，實現(xiàn)了兩者的高效協(xié)同，從而將量子計算機的整機運行效率提升約10倍。

自主量子芯片工業(yè)設(shè)計軟件、自主系列量子芯片工業(yè)母機、自主量子芯片生產(chǎn)線、自主量子計算測控系統(tǒng)、自主量子計算機操作系統(tǒng)……共同構(gòu)成了中國首條自主超導量子計算機制造鏈。在這里，一臺臺“本源悟空”被制造出來。

4、未來，量子計算可以做什么？

量子計算構(gòu)建起的新一代計算體系，在處理海量數(shù)據(jù)、并行運算以及模擬原子、分子演進方面具有得天獨厚的優(yōu)越性。從模擬復雜的物理系統(tǒng)到優(yōu)化大規(guī)模的組合問題，從加速藥物研發(fā)到提升信息安全，量子計算有望為智能制造、金融分析、新材料研發(fā)、生物醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域帶來革命性轉(zhuǎn)變。

量子計算蘊含著巨大的潛力，并逐步從實驗室走向現(xiàn)實應用。它正與超算、智算（融合了人工智能技術(shù)的計算模式）、通算協(xié)同，構(gòu)建“四算融合”的先進計算新模式。“本源悟空”已接入上海、鄭州等超算中心，實現(xiàn)量子計算與超算的協(xié)同。這種量子計算、超算、智算、通用計算的“四算合一”體系，正推動中國算力基礎(chǔ)設(shè)施邁向新高度！

責任編輯｜高琳?岳煥琦

運營編輯｜岳煥琦

質(zhì)量審核 | 趙青云 王維嘉

圖文來源 | 《知識就是力量》雜志《信息海洋中的“量子快艇”》，圖文/郭國平（中國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”研制團隊），原文有刪改，原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請注明來源。