量子计算：后摩尔时代计算能力提升的解决方案

编者按：由朱晓波、陆朝阳、潘建伟等人撰写的这篇文章客观介绍了量子计算的原理、发展现状以及发展趋势：“实现‘量子计算优越性’的阶段目标是量子计算研究的第一个里程碑，它验证了量子计算机可以超越经典计算机的可行性，但量子计算机距离能够解决有价值的实际问题，还有较长的路要走。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明确，国际学术界一般认为还需要10至15年甚至更长时间。”

量子计算是基于量子力学的全新计算模式，具有原理上远超经典计算的强大并行计算能力，为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，并可揭示量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制。

与传统计算机使用0或者1的比特来存储信息不同，量子计算以量子比特作为信息编码和存储的基本单元。基于量子力学的叠加原理，一个量子比特可以同时处于0和1两种状态的相干叠加，即可以用于表示0和1两个数。推而广之，n个量子比特便可表示2ⁿ个数的叠加，使得一次量子操作原理上可以同时实现对2ⁿ个叠加的数进行并行运算，这相当于经典计算机进行2ⁿ次操作。因此，量子计算提供了一种从根本上实现并行计算的思路，具备极大超越经典计算机运算能力的潜力。

类似于经典计算机，量子计算机也可以沿用图灵机的框架，通过对量子比特进行可编程的逻辑操作，执行通用的量子运算，从而实现计算能力的大幅提升，甚至是指数级的加速。一个典型的例子是1994年提出的快速质因数分解量子算法（Shor算法）。质因数分解的计算复杂度是广泛使用的RSA公钥密码系统安全性的基础，例如，如果用每秒运算万亿次的经典计算机来分解一个300位的大数，需要10万年以上；而如果利用同样运算速率、执行Shor算法的量子计算机，则只需要1秒。因此，量子计算机一旦研制成功，将对经典信息安全体系带来巨大冲击。

量子计算的发展阶段

量子计算机的计算能力随量子比特数目呈指数增长，因此量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模，国际学术界公认量子计算有如下发展阶段：

第一个阶段是实现“量子计算优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。美国谷歌公司在2019年率先实现超导线路体系的“量子计算优越性”。我国则分别于2020年在光量子体系、2021年在超导线路体系实现了“量子计算优越性”。加拿大Xanadu公司在2022年实现光量子体系的“量子计算优越性”。目前，我国是唯一在两种物理体系都达到这一里程碑的国家，牢固确立了国际量子计算研究第一方阵的地位。

第二个阶段是实现专用量子模拟机，即相干操纵数百个量子比特，应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，指导材料设计、药物开发等，达到该阶段需要5至10年，是当前的主要研究任务。由于量子比特容易受到环境噪声的影响而出错，对于规模化的量子比特系统，通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求，也是一段时期内面临的主要挑战。

第三个阶段是实现可编程通用量子计算机，即相干操纵至少数百万个量子比特，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明确，国际学术界一般认为还需要15年甚至更长时间。

目前，国际上正在对各种有望实现可扩展量子计算的物理体系开展系统性研究。我国已完成了所有重要量子计算体系的研究布局，成为包括欧盟、美国在内的三个具有完整布局的国家（地区）之一。

光量子计算国际领先

中国科大一直在光量子计算的核心资源——多光子纠缠的制备与操纵上处于国际领先水平。在此基础上，中国科大实现了首个超越早期经典计算机能力的光量子计算原型机。

2020年，中国科大构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。根据公开报道的最优经典算法，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比当时最快的超级计算机“富岳”快十万倍。这一成果使得我国成功达到了“量子计算优越性”里程碑，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。

2021年潘建伟团队成功研制出“九章二号”

2021年，中国科大研究团队进一步实现了113光子的“九章二号”，并实现了相位可编程功能。根据目前已公开的最优化经典算法，“九章二号”处理高斯玻色取样问题的速度比最快的超级计算机快一百亿倍，较76光子的“九章”提升了十万倍。

超导量子计算实现赶超

目前，美国谷歌公司、IBM公司以及中国科大等机构在全球超导量子计算研究处于领先优势。2019年10月，在持续重金投入量子计算10余年后，谷歌正式宣布实验演示了“量子计算优越性”。谷歌构建了一个包含53个超导量子比特的量子处理器，命名为“Sycamore（悬铃木）”，在随机线路采样这一特定任务上，展现出远超超级计算机的计算能力。值得指出的是，根据我国学者近期提出的张量网络算法，经典计算机求解谷歌“悬铃木”处理的随机线路采样任务预计仅需数十秒（“悬铃木”需要200秒）。目前我国学者正在经典超算上验证这一算法，一旦验证成功，谷歌宣称的“量子计算优越性”将不复存在。

2021年5月，中国科大构建了当时国际上量子比特数目最多的62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现了可编程的二维量子行走。在此基础上，中国科大进一步实现了66比特的“祖冲之二号”。 “祖冲之二号”具备执行任意量子算法的编程能力，实现了量子随机线路取样的快速求解。即使是根据最新的经典算法，“祖冲之二号”仍然比最快的超级计算机快10万倍，计算复杂度比谷歌“悬铃木”高6个数量级。

62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”

2022年11月，IBM发布433量子比特超导量子处理器 “Osprey（鱼鹰）”。根据其宣称的数据，Osprey处理器在比特数目和退相干时间上超过了中国科大团队和谷歌团队，但相关数据均为自行宣称，并未经过同行评议或第三方测试。同时，受限于简单的比特结构，Osprey处理器并不适合当前的量子计算优越性方案和表面码纠错方案。根据IBM自己发布的路线图规划，其将在2026年进行“量子计算优越性”演示。

其他体系的量子计算研究具有特色

超冷原子、离子、硅基量子点等物理体系同样具有多比特扩展和容错性的潜力，也是目前国际量子计算研究的热点方向。

我国近年来在超冷原子量子模拟方向取得的一系列重要成果，使得我国达到了和国际上顶尖团队并驾齐驱的水平。

我国在离子体系的量子计算研究起步较晚，目前整体上处于追赶状态，国内的优势研究单位包括清华大学、中国科大和国防科大等，在离子阱的制备、单离子相干保持时间、高精度量子逻辑门、多比特量子纠缠等量子计算的基本要素方面积累了大量关键技术。

我国在硅基量子点的量子计算方向上与国际主要研究力量处于并跑水平，中国科大、南方科大等在量子芯片材料、比特构造、逻辑门操控以及多比特扩展等方面具有研究优势。

此外，由于拓扑量子计算在容错能力上的优越性，利用拓扑体系实现通用量子计算机是国际上面向长远的重要研究目标。目前国内外均在为实现单个拓扑量子比特这一“0到1”的突破而努力。清华大学、中科院物理所、上海交大以及中国科大等单位在该方向具有研究优势。

量子计算的未来发展

实现“量子计算优越性”的阶段目标是量子计算研究的第一个里程碑，它验证了量子计算机可以超越经典计算机的可行性，但量子计算机距离解决有价值的实际问题，还有很长的路要走。未来5至10年，量子计算的发展将集中在两个方面：

一、继续提升量子计算性能。为了实现容错量子计算，核心要素是高精度地扩展量子计算系统规模。为实现这一目标，量子比特的数量和质量都极其重要，需要实验的每个环节（量子态的制备、操控和测量）都要保持高精度、低噪声，并且随着量子比特数目的增加，噪声和串扰等因素带来的错误也随之增加，这对量子体系的设计、加工和调控带来了巨大的挑战，仍需大量科学和工程的协同努力。

二、探索量子计算应用。预计未来5年，量子计算有望突破上千比特，虽然暂时还无法实现容错的通用量子计算，但科学家们希望探索在带噪声的量子计算（NISQ）阶段，如何将量子计算应用于机器学习、量子化学等领域，形成近期应用。

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