量子世界里，我们离“MOSS”还有多远？

本源量子计算机。(图片由受访者提供)

从550A迭代到550W，能够推算地球危机、赋能数字生命、驱动上千座行星发动机……正在热映的科幻电影《流浪地球2》中，无处不在、洞悉未来的智能量子计算机“MOSS”被誉为“全场最有价值的道具”。

科幻照进现实。2月12日，位于安徽省合肥市的中国首家量子计算公司本源量子实验室向公众开放，《科技周刊》记者有幸提前探访了这一实验室，零距离“围观”4台“中国造”量子计算机。

比指甲盖还小的量子芯片，内有大乾坤

走进本源量子实验室一楼的展示大厅，4台近2米高的大型机器出现在记者的眼前，它们分别为“研发一号”“研发二号”“研发三号”“研发四号”。如果不是工作人员提醒，似乎很难将它们和越来越“小巧”的计算机联系起来。只见每一台机器都有一个巨大的白色桶状主体连接着多台电子显示屏，工作人员监测着各类数据，机器最“闪耀”的地方，是无数根金色或银色的“电线”连接着“金色”的圆盘……

“秘密就在这一个个‘套筒’里。”中国计算机学会(CCF)量子计算专业组副主任、合肥本源量子计算科技有限责任公司总经理张辉博士告诉记者，白色桶状主体是一个超低温制冷系统和主动减振系统，为量子计算机的散热及稳定运行提供环境保障，而量子计算机的核心——比指甲盖还小的超导量子芯片装在“套筒”的底部。

“我们是不是可以理解为现阶段的量子计算机就如同几十年前那些占据整个屋子的巨大计算机一样，也就是现在我们使用的个人电脑(即经典计算机)的‘前生’?”记者问。“可以这样理解。”张辉答。现在，量子计算机处于同样的初创阶段，这项技术目前就好比处在电子管时代的经典计算机。

“但是，量子计算机是一种新型计算机，与经典计算机的不同之处从‘逻辑’上开始。” 张辉解释。量子计算机抛弃了经典计算机的晶体管，利用量子物理学原理来处理信息和计算，使用量子比特(类似于二进制的0和1)来存储和处理数据，这使得它能够在极短的时间内完成复杂的计算任务。

张辉透露，眼下，本源量子已成功交付一台量子计算机给用户使用。该量子计算机的成功交付，使我国成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家。同时，在实验室里还有首个国产量子计算机操作软件系统“本源司南”。

信息爆炸时代，量子算力让数据更有价值

众所周知，现阶段的超级算力“拥有者”是超级计算机。如今超级计算机每秒能运算5000万次以上。和超级计算机相比，量子计算机是否更胜一筹?

“海量数据每天都在爆炸性增长，现有的传统计算机能够存储的数据量有限，隔段时间就要删除清理。事实上，这些历史数据具有巨大的潜在价值。”张辉介绍，人工智能行业数据量的增长大概每3个月就会提升一倍。为了满足数据的算力需求，经典计算机的集成度也一直在提升，晶体管不断缩小，目前已缩小到3—5纳米。

“就像修建大坝一样，我们刚开始用土坝挡住洪水。之后为了让大坝更加‘瘦身’，我们会用合金，最后，大坝可能只有一张纸那么薄。但是，这么薄的大坝很容易渗水。”张辉解释，1纳米的厚度相当于10个原子，当晶体管薄到十几个原子的尺度时，电流里的电子很可能会穿过开关，这也就意味着，晶体管的体积很难再继续缩小，这就导致传统计算机已无法满足算力需求，难以支撑行业对算力的渴求。而量子计算机海量数据并行运算的优势，可以助力人工智能、金融等行业发展，受到国际青睐。

张辉继续解释，量子计算是指遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。从原理上来说，经典计算通过控制晶体管电压的高低电平，从而决定一个数据是“1”还是“0”，对应的是经典比特。而量子计算机使用的量子比特，能够同时具备“0”和“1”的两种状态，我们称之为量子比特。就像开灯一样，传统计算机只能开灯或者关灯，结果显示的只是灯亮或者不亮，而量子计算机的“开关灯”是一个调节的过程，就像旋转按钮一样，可以从暗逐步调到亮，让亮度更加精准化。

“一个含有n个比特的经典存储器可以存储2n个可能数据当中的任意一个，如果是量子存储器，则可以同时存储2n个数据，相当于2n个经典计算机的CPU同时工作。”张辉表示，每增加一个量子比特，量子计算机的运算能力将以指数倍增加。一旦量子比特数达到50个以上，它就能在处理某些特定问题时展现超越超级计算机的运算能力。理论上，拥有50个量子比特的量子计算机性能就能超过现今世界上最先进的超级计算机“天河二号”。

手机、平板、笔记本……目前我们使用的科技产品依赖的是传统计算机芯片。量子计算机未来将在人类生活中占怎样的比重?能够替代经典计算机的地位吗?

“从现阶段来看，量子计算机的计算能力还无法超越超算，但面向未来，量子计算机必然会有更出彩的‘成绩’。”张辉表示。

早在2019年，谷歌就曾用一块53个量子比特的超导量子芯片实现了量子优越性，证明在某一特定问题上量子计算机超越经典计算机的能力。

中科院量子信息重点实验室副主任、本源量子创始人、首席科学家郭国平表示，接下来的3—5年内，量子计算将会在人类实际生产生活中产生看得见的效益，“它至少可以发挥加速器的价值，大幅降低计算时间和成本，节能增效。比如用10台传统超算计算一个问题需要一个月，如果叠加一台量子计算机，计算时间可能会缩减至3—7天，加速器的作用不是替代传统计算机，而是让传统计算机算得更快。”

“对于普通用户来说，或许并不需要了解量子计算的过程。就像经典计算机一样，很多人并不了解CPU是怎么工作的，但只要学会怎么用就可以了。所以，从现阶段来看，虽然量子计算机的展现形式将依旧是电脑、手机或更丰富的显示屏，但人们可以享受到‘飞一般’的算力体验。”张辉表示。

未来可期，今年省内将落地量子专业研究所

在《流浪地球2》中，当量子计算机从550A迭代到550W时，数字生命“丫丫”从只有几分钟的生命转变到拥有了完整的一生。那么，现阶段的量子计算机处于550“前系列”的哪一个阶段呢?

张辉坦言：“如果550A系列是通用型量子计算机的话，那么只有到达百万数量级的比特数，才能开始研究通用型量子计算机。因此，从现在到550A，我们还有很长一段路要走，或许需要5到10年。那么从550A到550W，相信10年后的科技可以给我们带来更多惊喜。”

与传统计算机的核心部件CPU不同的是，量子计算机的核心部件是量子芯片(QPU)。由于量子计算体系尚处于初级阶段，各国研究者正从已知的多种能产生量子效应的物理体系入手，试图找到打造量子芯片的“最优解”。“目前，量子芯片的物理制备体系有超导体系、半导体体系、离子阱体系、光学体系、中性原子体系、拓扑体系等。”郭国平表示。

“量子计算一定是人类集体智慧的产物，我们希望在量子计算领域，为国家‘争’到足够多的核心专利，让中国在全球量子计算科研领域占有一席之地。”张辉说，值得重视的是，目前电学路线量子计算能够复用大部分的产业设备、材料资源，但还有一些设备与材料需要进行新的研发和探索。量子计算产业的推动，需要全产业链的参与。“比如，谷歌目前生产的量子芯片尺度是12纳米，这是我们目前想拥有、但国内不具备的技术。如果生产几十万个量子比特的通用量子计算机的话，就需要更先进、更精细的设备。3到5年后，国内如果无法自主解决这个设备，量子计算或将陷入困境。”

在张辉看来，量子计算机的迭代需要一代代人去接力完成。当前，本源量子和江苏省内的东南大学、南京邮电大学、南京航空航天大学等高校，展开量子计算教育合作。“我们希望通过量子计算全物理体系学习机、专家线上讲解等手段，帮助学生学习搭建量子比特、用量子语言写量子程序，完全掌握量子计算。”

“我们曾多次前往本源量子实验室调研探访，希望能够将量子计算与省内相关产业融合，并带动江苏量子技术发展。”江苏省产业技术研究院院长助理郜军说，本源量子曾与中科院苏州纳米所携手制造加工量子芯片，建立了一定的合作基础。今年，江苏产研院将在省内落地一座量子专业研究所，开展量子科技研究，赋能江苏量子计算发展。

责任编辑：马玉熙