◎本报记者 洪敬谱  吴长锋

    量子计算机理论上具备超越经典计算机的计算能力，正在引领新一代计算技术。

    量子芯片是量子计算机的核心处理器。近年来，我国在量子芯片领域取得积极进展，在全球量子赛道中跑出了“中国速度”。

    成果频出

    目前，量子计算比较主流的技术路线包括超导、光量子、离子阱、中性原子和硅半导体等。这些量子体系各具特点，目前仍处于“百家争鸣”状态。

    中电信量子信息科技集团有限公司（以下简称“中电信量子集团”）量子计算技术部牵头人孙汉涛认为，超导量子芯片的技术发展路线比较成熟，主要优势是与现有半导体工业技术高度兼容，可设计性高，易于耦合，量子门操作速度快。

    2019年，谷歌公司成功研制出具有53个量子比特的量子芯片“悬铃木”（Sycamore）。基于该芯片，100万次量子随机线路采样耗时约200秒，而当时世界排名第一的超级计算机则需要1万年左右。谷歌公司宣称实现了量子优越性，这被视为量子计算发展史上的重要时刻。

    2020年，由中国科学院院士、中国科学技术大学（以下简称“中国科大”）教授潘建伟领衔的陆朝阳教授课题组和中国科学院上海微系统与信息技术研究所等单位合作，构建了光量子计算原型机“九章”，求解了最高达76个光子的高斯玻色采样问题，求解速度超越经典超级计算机。“九章”在国际上首次实现基于光学体系的量子计算优越性，使中国成为全球第二个实现量子优越性的国家。随后发展的“九章三号”，能操纵255个光子。“九章三号”1微秒可算出的最复杂样本，用世界上最强大的超级计算机之一“前沿”（Frontier）来计算，约需200亿年。

    2021年，潘建伟团队构建的66个量子比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，执行量子随机线路采样任务的速度比当时全球最快的超级计算机快1000万倍以上，计算复杂度比“悬铃木”提高了6个数量级。

    2024年12月17日，我国超导量子计算机“祖冲之三号”成果在线发表。研究结果表明，“祖冲之三号”超导量子计算芯片有105个超导量子比特，在各种性能指标上与谷歌公司的量子芯片“威洛”（Willow）旗鼓相当。目前，研究团队正基于“祖冲之三号”超导量子计算芯片开展相关测试工作，为实现大规模的量子纠错和量子比特操控铺平道路。

    优势显现

    当前，高性能量子芯片数量并不多，且超导量子计算芯片还需要室温电子学系统、低温传输线缆、稀释制冷机等配套硬件设备维持其运行。

    为了使更多量子计算算法、软件开发工作者，以及量子计算爱好者接触到量子计算，我国科学家及技术人员通过云技术，为大众提供量子计算便利。

    2024年1月6日，由本源量子计算科技（合肥）股份有限公司（以下简称“本源量子”）自主研发的超导量子计算机“本源悟空”上线运行。“本源悟空”搭载的72位自主超导量子芯片“悟空芯”，是本源量子自主研发的第三代超导量子芯片。“本源悟空”可一次性下发、执行多达200个量子线路的计算任务，相较于只能同时下发、执行单个量子线路的国际同类量子计算机，具有更大速度优势。“‘本源悟空’已为全球139个国家和地区的超1800万用户，完成30余万个量子计算任务。”安徽省量子计算工程研究中心副主任、“本源悟空”云服务研制团队负责人赵雪娇告诉记者。

    目前，我国科学家已在教育、生物医药等多个领域推广应用量子算力。2024年12月8日，我国首个量子计算与数据医学研究院——合肥量子计算与数据医学研究院在本源量子成立。该研究院由蚌埠医科大学和本源量子共同设立，致力于通过量子计算提升我国医疗数据的安全性和应用效能。

    “在生物医药行业，量子计算能够在药物设计、蛋白质结构预测、医疗数据的分析与处理等领域提供助力。”赵雪娇说。

    2024年4月，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院向科大国盾量子技术股份有限公司（以下简称“国盾量子”）交付一款504比特超导量子计算芯片“骁鸿”，用于验证国盾量子自主研制的千比特测控系统等核心硬件。当年12月，基于“骁鸿”芯片，中电信量子集团和国盾量子联合研发出国内单台比特数最多的超导量子计算机“天衍504”，并接入中国电信“天衍”量子计算云平台。该平台自2023年11月对外服务以来，已为来自全球50多个国家和地区的用户，提供超过60万个实验任务的计算服务。

    未来可期

    多位受访专家认为，当前，包括量子芯片在内的量子计算技术仍处于早期研发阶段，离实际应用还有很长的路要走。但是，科学家们对量子科技发展充满信心。

    “国际公认的量子计算发展路线分为三步，第一步是实现量子计算优越性，这一目标中国、美国等国家已达到；第二步是实现专用的量子模拟机；第三步是在实现量子纠错的基础上，构建可编程通用量子计算机。”孙汉涛说。

    目前，研究人员正在努力实现量子计算的第二个目标，已经取得一系列进展。例如，中国科大研究团队构建的超冷原子量子模拟器“天元”，以超越经典计算机的模拟能力首次验证了该体系中的反铁磁相变。

    2024年9月，安徽省气象局、中国电信股份有限公司安徽分公司、中电信量子集团签署战略合作协议，三方未来将持续发挥各自资源优势，共同协助安徽气象局构建全国领先的气象信息基础设施算力基座，提升其在信息服务、数据创新应用、数据安全、防灾减灾等方面的工作质效。

    在孙汉涛看来，此次签约意味着量子计算在气象预测领域的应用迈出重要一步，将开创降雨精准预测新范式。未来，量子科技有望改善灾害预警系统，助力人类更好应对天气变化，减少经济损

    “经典计算机在开发数值天气和气候预测模型时存在局限性，‘天衍’量子计算云平台为算法训练提供相关计算资源支撑，可以帮助气象工程师、环境科学家等专业人员获得更及时、精准的数据。”孙汉涛说。

    孙汉涛认为，未来5年里，量子计算有可能在一些实际应用场景里体现出真正优越性。“量子计算最有可能的应用是在化学领域，用于模拟化学分子结构、化学反应等，实现更高效、更低耗能的化学品设计。”孙汉涛说。

    孙汉涛进一步展望，预计未来3到5年，研究人员可以实现数百至上千个量子比特的相干操纵，实现可扩展的量子纠错；未来10到15年，在量子纠错的基础上，有可能构建具备基本功能的通用量子计算机，探索量子计算在化学模拟、加密破解、大数据分析等方面的应用。