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“量子”已經是當下的熱門研究領域。作為(wei) 吃瓜群眾(zhong) ，可能用過“遇事不決(jue) ，量子力學”的梗，也可能交過“量子茶杯”的智商稅……不過，到底量子科技是什麽(me) ？你知道嗎？圍繞量子信息科技主題，潘建偉(wei) 院士團隊撰寫(xie) 了本科普文章，對量子信息科技進行了較為(wei) 完整的介紹和展望。

量子計算是基於(yu) 量子力學的全新計算模式，具有原理上遠超經典計算的強大並行計算能力，為(wei) 人工智能、密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供了解決(jue) 方案，並可揭示量子相變、高溫超導、量子霍爾效應等複雜物理機製。

與(yu) 傳(chuan) 統計算機使用0或者1的比特來存儲(chu) 信息不同，量子計算以量子比特作為(wei) 信息編碼和存儲(chu) 的基本單元。基於(yu) 量子力學的疊加原理，一個(ge) 量子比特可以同時處於(yu) 0和1兩(liang) 種狀態的相幹疊加，即可以用於(yu) 表示0和1兩(liang) 個(ge) 數。推而廣之，n個(ge) 量子比特便可表示2n個(ge) 數的疊加，使得一次量子操作原理上可以同時實現對2n個(ge) 疊加的數進行並行運算，這相當於(yu) 經典計算機進行2n次操作。因此，量子計算提供了一種從(cong) 根本上實現並行計算的思路，具備極大超越經典

計算機運算能力的潛力。

類似於(yu) 經典計算機，量子計算機也可以沿用圖靈機的框架，通過對量子比特進行可編程的邏輯操作，執行通用的量子運算，從(cong) 而實現計算能力的大幅提升，甚至是指數級的加速。一個(ge) 典型的例子是1994年提出的快速質因數分解量子算法(Shor算法)。質因數分解的計算複雜度是廣泛使用的RSA公鑰密碼係統安全性的基礎。例如，如果用每秒運算萬(wan) 億(yi) 次的經典計算機來分解一個(ge) 300位的大數，需要10萬(wan) 年以上;而如果利用同樣運算速率、執行Shor算法的量子計算機，則隻需要1秒。因此，量子計算機一旦研製成功，將對經典信息安全體(ti) 係帶來巨大影響。

量子計算的發展階段

量子計算機的計算能力隨量子比特數目呈指數增長，因此量子計算研究的核心任務是多量子比特的相幹操縱。根據相幹操縱量子比特的規模，國際學術界公認量子計算有如下發展階段：

第一個(ge) 階段是實現“量子計算優(you) 越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越經典超級計算機，達到這一目標需要約50個(ge) 量子比特的相幹操縱。美國穀歌公司在2019年率先實現超導線路體(ti) 係的“量子計算優(you) 越性”。我國則分別於(yu) 2020年在光量子體(ti) 係、2021年在超導線路體(ti) 係實現了“量子計算優(you) 越性”。目前，我國是世界上唯一在兩(liang) 種物理體(ti) 係達到這一裏程碑的國家。

第二個(ge) 階段是實現專(zhuan) 用量子模擬機，即相幹操縱數百個(ge) 量子比特，應用於(yu) 組合優(you) 化、量子化學、機器學習(xi) 等特定問題，指導材料設計、藥物開發等。達到該階段需要5至10年，是當前的主要研究任務。

第三個(ge) 階段是實現可編程通用量子計算機，即相幹操縱至少數百萬(wan) 個(ge) 量子比特，能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方麵發揮巨大作用。由於(yu) 量子比特容易受到環境噪聲的影響而出錯，對於(yu) 規模化的量子比特係統，通過量子糾錯來保證整個(ge) 係統的正確運行是必然要求，也是一段時期內(nei) 麵臨(lin) 的主要挑戰。由於(yu) 技術上的難度，何時實現通用量子計算機尚不明確，國際學術界一般認為(wei) 還需要15年甚至更長時間。

目前，國際上正在對各種有望實現可擴展量子計算的物理體(ti) 係開展係統性研究。我國已完成了所有重要量子計算體(ti) 係的研究布局，成為(wei) 包括歐盟、美國在內(nei) 的三個(ge) 具有完整布局的國家(地區)之一。

超導量子計算實現趕超

目前，美國穀歌公司、IBM公司以及中國科學技術大學是全球超導量子計算研究的前三強。2019年10月，在持續重金投入量子計算10餘(yu) 年後，穀歌正式宣布實驗證明了“量子計算優(you) 越性”。他們(men) 構建了一個(ge) 包含53個(ge) 超導量子比特的量子處理器，命名為(wei) “Sycamore(懸鈴木)”。在隨機線路取樣這一特定任務上，“懸鈴木”展現出遠超超級計算機的計算能力。

2021年5月，中國科學技術大學構建了當時國際上量子比特數目最多的62比特超導量子計算原型機“祖衝(chong) 之號”，並實現了可編程的二維量子行走。在此基礎上，進一步實現了66比特的“祖衝(chong) 之二號”。“祖衝(chong) 之二號”具備執行任意量子算法的編程能力，實現了量子隨機線路取樣的快速求解。根據目前已公開的最優(you) 化經典算法，“祖衝(chong) 之二號”對量子隨機線路取樣問題的處理速度比目前最快的超級計算機快1000萬(wan) 倍，計算複雜度較穀歌“懸鈴木”提高了100萬(wan) 倍。

其他體(ti) 係的量子計算研究

離子、矽基量子點等物理體(ti) 係同樣具有多比特擴展和容錯性的潛力，也是目前國際量子計算研究的熱點方向。我國在離子體(ti) 係的量子計算研究上起步較晚，目前整體(ti) 上處於(yu) 追趕狀態，國內(nei) 的優(you) 勢研究單位包括清華大學、中國科學技術大學和國防科技大學等，在離子阱的製備、單離子相幹保持時間、高精度量子邏輯門、多比特量子糾纏等量子計算的基本要素方麵積累了大量關(guan) 鍵技術。我國在矽基量子點的量子計算方向上與(yu) 國際主要研究力量處於(yu) 並跑水平。此外，由於(yu) 拓撲量子計算在容錯能力上的優(you) 越性，利用拓撲體(ti) 係實現通用量子計算是國際上麵向長遠的重要研究目標。目前國內(nei) 外均在為(wei) 實現單個(ge) 拓撲量子比特這一“0到1”的突破而努力。

量子計算的未來發展

在實現了“量子計算優(you) 越性”的階段目標後，未來量子計算的發展將集中在兩(liang) 個(ge) 方麵：

一是繼續提升量子計算性能。為(wei) 了實現容錯量子計算，首要考慮的就是如何高精度地擴展量子計算係統規模。在實現量子比特擴展的時候，比特的數量和質量都極其重要，需要實驗的每個(ge) 環節(量子態的製備、操控和測量)都要保持高精度、低噪聲，並且隨著量子比特數目的增加，噪聲和串擾等因素帶來的錯誤也隨之增加，這對量子體(ti) 係的設計、加工和調控帶來了巨大的挑戰，仍需大量科學和工程的協同努力。

二是探索量子計算應用。預計未來5年，量子計算有望突破上千比特，雖然暫時還無法實現容錯的通用量子計算，但科學家們(men) 希望探索在帶噪聲的量子計算(NISQ)階段，將量子計算應用於(yu) 機器學習(xi) 、量子化學等領域，形成近期應用。

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