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2025-01-23 09:47
證券時報記者 余勝良
在科技日新月異的今天,，量子計算這一前沿領域每隔一段時間就會傳來令人振奮的消息,。
近期，谷歌公司公布了一款名為Willow的新量子芯片，它擁有高達105個“量子比特”,，這一成就再次刷新了人們對量子計算的認知,。幾乎與此同時，由中國科學家研制的同樣擁有105個量子比特的“祖沖之三號”量子計算機也在學術預發(fā)布平臺arXiv上發(fā)表了研究成果。中美兩國在量子計算領域的競爭,，呈現(xiàn)出你追我趕的激烈態(tài)勢。
盡管量子計算機距離真正實用化還有很長的路要走,，但無數(shù)科學家已經(jīng)投身其中,，致力于讓這一夢想成為現(xiàn)實。其中,，中國科學院院士,、深圳國際量子研究院院長、南方科技大學講席教授俞大鵬便是其中的佼佼者,。他早年研究納米技術,，近年來則領導成立了深圳國際量子研究院，帶領眾多青年才俊在量子計算領域向前突破,。
近日,，證券時報記者對俞大鵬院士進行了專訪，就量子計算的相關問題進行了深入探討,。俞大鵬感嘆,，量子計算機是人類挑戰(zhàn)操控微觀世界極限能力的世紀系統(tǒng)工程，其復雜性和難度超乎想象,。
1 微觀世界
量子理論是由一系列杰出的物理學家在20世紀初共同創(chuàng)立的,。德國物理學家普朗克在1900年首次提出了量子的概念，隨后愛因斯坦,、玻爾,、薛定諤、狄拉克等人紛紛加入,，共同揭示了量子現(xiàn)象的奧秘,。在20世紀的前半期，一個完整的量子力學理論框架逐漸建立起來,。
量子運動具有非連續(xù)性,、不可分割性，以及疊加和糾纏等特性,。其中,，疊加態(tài)是指一個量子系統(tǒng)可以同時處于多個狀態(tài)之中，而糾纏態(tài)則是指兩個或多個量子系統(tǒng)之間存在一種神秘的關聯(lián),，使得它們的狀態(tài)無法被單獨描述,。這些特性使得量子世界充滿了奇妙和神秘色彩。
對于量子狀態(tài)的最著名描述來自于薛定諤的貓實驗,。在這個實驗中,，一只貓可以同時處于生與死的疊加狀態(tài),。但當我們打開籠子觀察時，貓就會“坍縮”到生或者死這一種確定的狀態(tài),。這種奇特的現(xiàn)象讓人難以理解,，甚至像愛因斯坦這樣的科學巨匠也感到費解。他曾經(jīng)說過：“上帝為什么會擲骰子呢,？”這句話表達了他對量子世界不確定性的困惑,。
薛定諤本人在量子力學上取得了卓越的成就，但他同時也是一個懷疑者,。他提出的“薛定諤的貓”這一例子,，原本是對量子現(xiàn)象的一種質(zhì)疑和反思，但后來卻成為了普通人了解量子理論的一個重要通道,。
這些偉大的物理學家自幼學習的是經(jīng)典物理學,，他們認為世界是可知的、確定的,、可描述的,。然而，當他們踏入微觀世界的大門時,，卻發(fā)現(xiàn)了一個全新的,、充滿挑戰(zhàn)的未知世界。他們不斷地解釋各種現(xiàn)象,，提出各種天才的公式和理論,，不斷地顛覆自己的認知。
正是在這樣的背景下,，量子計算機的概念應運而生,。1982年，理查德·費曼首次提出了量子計算機的概念,。他認為,，量子計算機可以通過模擬量子力學現(xiàn)象來解決某些經(jīng)典計算機難以處理的問題。這一想法為計算機科學的發(fā)展開辟了一條全新的道路,。
2 算法與實現(xiàn)
經(jīng)典計算機是基于電流的開關來進行運算的,。通過一開一關的組合，計算機可以實現(xiàn)復雜的運算功能,。這種運算方式可以用簡單的代碼簡化為1和0的組合,，原理簡單易懂,。
量子計算機以量子比特為基本運算單元,。與經(jīng)典比特不同，量子比特利用的是量子世界的疊加規(guī)律,。這意味著一個量子比特可以同時處于0和1之間的任何兩個狀態(tài)的疊加態(tài)中,，只是概率大小不同而已,。這種疊加態(tài)的特性使得量子計算機能夠同時處理多個任務，大大提高了運算效率,。
為了更直觀地解釋量子計算的威力,，俞大鵬院士喜歡用迷宮來作比喻。他說：“如果我們派100個人走一個特別復雜的迷宮,，每個人相當于一個經(jīng)典比特,。這100個人不允許帶手機交流，只能試錯前進,。最后這100個人全部從出口出來,，這相當于他們各自獨立完成了自己的任務，互相之間沒有糾纏和干擾,。但如果我們用量子計算機派出100個量子比特去走這個迷宮呢,？它們會構筑一個2的100次方的線波特態(tài)空間。這相當于孫悟空拔出一根毫毛變出了2的100次方個猴子,，每個猴子都能同時去探路,。這些猴子之間互相糾纏、相干相消,，走通的地方就消失了,，走不通的地方則省去了很多計算的過程。這就是量子計算機無與倫比的計算模式優(yōu)勢,?！?/p>
經(jīng)典計算機是通過串聯(lián)的方式逐個解決問題的，而量子計算機則是通過并聯(lián)的方式同時處理多個問題的,。這種差異使得量子計算機在處理某些特定問題時具有巨大的優(yōu)勢,。
為了實現(xiàn)計算，科學家們構建了許多工具來計算和描述量子的狀態(tài),。比如將量子的狀態(tài)想象為一個布洛赫球,，使用傅里葉變換算法來計算其某個狀態(tài)的概率。
在量子計算中,，常見的量子門有Hadamard門,、CNOT門和Pauli-X門等。這些量子門相當于經(jīng)典計算機中的邏輯門,，用于對量子比特進行操作和運算,。通過組合這些量子門，科學家可以構建出各種復雜的量子算法來解決實際問題,。Shor算法是量子計算領域的一個重要突破,。此外，美國計算機科學家格羅弗在1996年提出了量子搜索算法（Grover算法）,。
目前,，量子計算機的技術路線有多種,，包括超導量子、離子阱,、光量子,、中性原子、硅自旋以及拓撲技術路線等,。其中,，超導量子計算是主流之一，目前全球范圍內(nèi)走超導路線的量子計算機占比高達42%,。
超導量子比特芯片加工工藝與半導體行業(yè)微納加工工藝相似,，具有器件結構尺寸較大、成品率高,、耦合容易且形式靈活多樣,、可擴展性高以及操控速度快等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得超導量子計算成為最有可能實現(xiàn)通用量子計算的路線之一,。
3 依賴高精設備
科學家們在量子計算領域的不懈努力,，旨在實現(xiàn)量子的精確控制，使其進入并維持在量子態(tài),，以便進行高效的計算操作,。然而，量子控制的難度之大,，遠非傳統(tǒng)技術所能比擬,。盡管早在1999年，超導量子計算機的概念就已提出,，但將其從理論轉(zhuǎn)化為實際工程應用,，仍需跨越重重難關。
俞大鵬上世紀90年代便對量子計算產(chǎn)生濃厚興趣,，認為“量子計算,，無疑是科學界的貴族領域”。他坦言,，“它不僅需要高精尖的設備支持,，更需投入巨額資金。當時,，國內(nèi)具備這樣條件的單位屈指可數(shù),，北大、清華等少數(shù)名校方才有此實力,?！绷孔佑嬎愕暮诵模谟趯α孔討B(tài)的精準操控，而非簡單的原子層面操作,。因此，高精尖的設備成為了不可或缺的基石,。
在北大深耕納米材料研究的二十年間,，俞大鵬院士逐漸掌握了量子調(diào)控的技藝。納米結構中的量子效應,，為他的研究提供了寶貴的經(jīng)驗,。通過對納米線施加電、磁,、熱,、光等多種外部刺激，他深入探究了量子態(tài)的性質(zhì)及其調(diào)控規(guī)律,。這些技術,，不僅為納米材料的研究開辟了新徑，更為后續(xù)的量子計算研究奠定基礎,。
2016年,，俞大鵬院士攜手南方科技大學與深圳當?shù)卣餐瑒?chuàng)立了深圳量子研究院,。在歷經(jīng)多次選址后,，研究院最終在福田落戶，擁有了一萬多平方米的辦公空間,。
2018年,，面對量子計算可能遭遇的技術封鎖，俞大鵬院士著手布局支撐我國量子計算的根技術和核心工具,，其中電子束光刻機尤為關鍵,。作為加工量子芯片和量子器件的核心設備，電子束光刻機的自主研發(fā)對于我國量子計算的發(fā)展至關重要,。在廣東省科技廳的大力支持下,，深圳國際量子研究院成功實現(xiàn)了電子束光刻機的國產(chǎn)替代和自主可控，為國內(nèi)多家科研機構提供了緊急支持,，實現(xiàn)了從0到1的突破,。
2019年，深圳國際量子研究院又踏上了新的征程——研發(fā)制冷機,。對于超導量子計算而言,，低溫環(huán)境是維持量子態(tài)穩(wěn)定的關鍵。稀釋制冷機能夠制造出接近絕對零度的極端低溫環(huán)境,，為量子計算提供了必要的保障,。目前，該制冷機已實現(xiàn)小批量生產(chǎn),，并取得了技術上的重大突破,。
如今,，深圳國際量子研究院已實現(xiàn)了設備的自主可控和全鏈條自主加工，不僅提升了我國在量子計算領域的國際競爭力,，更為南方科技大學的物理學科注入了新的活力,。該學科在研究院的支撐下，取得了顯著成果,，躋身全國前列,。
4 產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)
然而，量子計算的道路仍然漫長且充滿挑戰(zhàn),。盡管研究院取得了一系列里程碑式的成果,，但量子計算機距離實際應用仍有一定距離。目前,，量子計算機仍處于量子霸權或量子優(yōu)越性階段,，即雖能證明在某些特定問題上比傳統(tǒng)計算機更快，但尚未實現(xiàn)實際應用價值,。
俞大鵬院士深知,，量子計算機的研發(fā)是一項世紀系統(tǒng)工程，挑戰(zhàn)著人類操控微觀世界的極限能力,。目前,，量子計算領域存在多種平臺和技術路線，但尚無定論哪種將最終勝出,。每一條技術路線都存在著潛在的缺陷和未知風險,。前幾年，曾有科技團隊在權威雜志上發(fā)表文章,，聲稱突破了拓撲計算的短板,，但最終因無法復現(xiàn)實驗結果而撤稿。
經(jīng)典計算機的發(fā)展歷程,，為量子計算提供了有益的借鑒,。從笨拙到靈敏，經(jīng)典計算機的發(fā)展離不開一代代科學家的不懈努力和晶體管的發(fā)現(xiàn),。然而,，在量子計算領域，科學家仍在探索合適的材料和方法,。盡管已經(jīng)取得了一些進展,，但未來仍充滿不確定性。那些看似停滯不前的技術路線,，也可能因某個突然的發(fā)明而迎來突飛猛進的發(fā)展,；而那些尚未被發(fā)現(xiàn)的路徑，或許正隱藏著通往量子計算終極目標的鑰匙。
量子計算的研究者,，每一步的探索和發(fā)現(xiàn),，都為量子計算奠定堅實的基礎。即使某些嘗試最終證明是行不通的,，也是通往成功之路上不可或缺的寶貴經(jīng)驗,。谷歌量子AI實驗室負責人哈特穆特·內(nèi)文曾預測，能夠?qū)嶋H應用于商業(yè)場景的量子計算機在2030年之前可能不會出現(xiàn),。但科學家相信,，只要堅持不懈地努力下去,，總有一天能夠揭開量子計算的神秘面紗,。
