3月3日，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承志等，與上海量子科學研究中心、河南省量子信息與量子密碼重點實驗室、中國計量科學研究院、濟南量子技術研究院、西安電子科技大學微電子學院以及中國科學院理論物理研究所等單位合作，在超導量子計算領域取得重大突破，成功構建了具有105量子比特的祖沖之三號超導量子計算原型機，并通過隨機線路采樣（RCS）實驗再次刷新量子計算優越性記錄。該成果于以封面論文的形式正式發表于國際權威物理期刊《Physical Review Letters》。

上海人民廣播電臺長三角之聲《思創空間》邀請中國科學技術大學超導量子團隊的博士后郭少俊和博士生范道金，和主持人虹見一起，從科普的角度深入剖析構建量子計算機的價值，探討它為我們生活帶來的憧憬與期望。本文根據該節目錄音內容整理而成。

現如今，量子計算已從曾經高深莫測的前沿理論逐漸走進大眾視野，成為科技領域備受矚目的焦點。從中國科學技術大學科學家成功構建 105 比特超導量子計算原型機“祖沖之三號”，實現對量子隨機線路采樣任務的快速求解這一重大科研成果，便能窺見量子計算發展的蓬勃之勢。這一成果猶如一顆投入平靜湖面的巨石，激起層層漣漪，讓許多人在驚嘆其厲害之余，心中也滿是疑惑：這究竟是怎樣的一項科研成果？它又會給我們的生活帶來怎樣的變化與影響？

什么是量子計算機？

什么是量子計算機

量子計算機與普通計算機有著本質區別。從計算原理上看，普通計算機的基本單元是比特，狀態只有0和1，處于離散狀態。而量子計算機采用量子比特，具有兩個重要特性。一是疊加態，量子比特除0和1外，可處于二者疊加狀態，就像拋硬幣處于旋轉狀態，停下時可能是0也可能是1。二是量子糾纏，多個量子比特之間存在相互關聯，這是普通比特所沒有的。基于這些特性，量子計算機具備并行計算能力，隨著比特規模增大，計算能力呈指數加速，這是二者的基本區別。

在硬件方面，普通計算機有CPU、內存、硬盤等，量子計算機目前主要處于類似CPU階段，其控制部分可稱為外設，如控制信號傳輸線，且需要低溫環境。

量子計算機并非普通計算機或超級計算機的簡單升級，而是完全不同的計算體系。它憑借疊加態和量子糾纏帶來的并行計算能力，在計算能力上有質的提升。例如面對超級大迷宮，經典計算機像一個人走迷宮，走錯需從頭開始；而50個比特的量子計算機相當于50個人同時走，計算速度和能力遠超經典計算機。

量子計算機這種獨特的計算原理和強大計算能力，使其在特定問題上能展現量子優越性，為科研、生活等眾多領域帶來無限憧憬與期望，未來有望在諸多復雜問題求解中發揮巨大作用。

量子優越性

量子優越性，起初被稱為量子稱霸或量子霸權，因后者表述過于有進攻性，現多稱量子優越性。它指的是量子計算機在特定問題上，能夠超越最強大的經典計算機，展現出獨特的計算能力優勢。以走迷宮為例，經典計算機如同一個人在迷宮中摸索，走錯只能從頭再來；而量子計算機則像是有許多人同時走，能并行探索不同路徑，大大提升了效率。

在科研實踐中，像九章三號和祖沖之三號，雖基于不同體系（光量子計算與超導量子計算），實現方式各異，但目的都是證明量子優越性。九章三號通過高斯波色采樣實驗，祖沖之三號則通過量子隨機線路采樣實驗，證明了量子優越性。

這里提到的量子隨機線路采樣實驗，具有兩個重點，第一個是量子，第二個是隨機線路。什么叫隨機線路？比如說我們需要去做很多的門操作，這些門操作就是一個隨機的門操作。對于大規模的隨機門操作，經典計算機模擬極為困難，而量子計算機卻能自然完成。在實驗中，先通過小比特規模下經典計算機與量子計算機結果的對比，驗證量子計算機結果的正確性；再隨著比特數增大，經典計算機難以計算，從而凸顯量子計算機的優越性。

如果再用走迷宮進行類比，走迷宮時每個分岔路口可類比為量子隨機線路采樣中的一個門操作，不同選擇對應不同出口。量子計算機能較容易得到每個出口情況，而經典計算機模擬此過程則復雜得多。

量子比特與保真度

量子比特是量子計算的基本單元，與我們手機上芯片所承載的經典比特不同。經典比特只能處于0或1的狀態，且不同經典比特之間狀態相對獨立；而量子比特不僅可以處于0和1的疊加態，不同量子比特之間還存在糾纏關系。承載量子比特的芯片被稱為量子芯片或量子處理器，它是整個量子計算機的核心單元。從形態上看，量子處理器與手機中的處理器類似，都通過半導體手段制備，但在工藝和材料上存在差異。在超導量子計算領域，需在芯片上實現超導薄膜以降低量子處理器上的損耗。

量子比特的數量級意義重大。量子處理器的量子比特數量越多，意味著能夠構建更大的量子態空間，進而能處理問題的規模和復雜度也會越高。例如，此次中國科學技術大學的成果實現了構建105比特的超導量子計算原型機，相比之前有了顯著提升。這不僅體現在比特數量從少到多的攀升，更在于構建出的105個量子比特是高質量的，具備高性能。這就如同傳統半導體中，晶體管數量越多，能處理的問題越復雜一樣。在量子計算中，在一小塊芯片上集成更多的量子比特，且保證量子比特自身優質，是提升量子計算機性能的關鍵。

此次中國科學技術大學的成果超過去年10月谷歌公開發表成果的6個數量級，意味著在隨機線路采樣問題上，中科大團隊的量子計算機性能更優，能處理更復雜的隨機線路采樣任務，所處理問題的復雜度比谷歌團隊高出極多。這一巨大反超得益于團隊在量子芯片的設計制備、量子門的操控、量子比特讀取以及軟件操作系統、電子學操作系統等軟硬件各個方面進行了全方位的技術更新，實現了代際升級。

我們常在新聞里聽到的保真度在量子計算領域是一個重要概念。以99%的保真度為例，它意味著一次量子操作的成功率為99%，換言之，每進行100次量子操作，平均出錯的次數大概是一次。

然而，在量子計算的實際實驗過程中，量子操作的錯誤率會隨著操作次數的增加而累計。比如99%的保真度，當執行100次量子操作時，按照0.99的100次方計算，此時的成功率就只剩下30%多了。

為了實現更大規模的量子計算，不斷提高量子操作的保真度至關重要。只有保真度足夠高，才能確保在多次量子操作過程中，操作的成功率不會因錯誤率的累計而大幅降低，進而保障量子計算能夠穩定、準確地運行，推動量子計算朝著更大規模、更高性能的方向發展。

量子計算有什么價值？

量子計算的價值

在當今科技飛速發展的時代，量子計算作為一門前沿技術，正吸引著全球高校、科研院所和科技大廠的廣泛關注與投入。那么，量子計算真正的意義和價值究竟體現在哪些方面呢？

從應用前景來看，量子計算在多個領域展現出巨大的潛力。在密碼學領域，一種經典的加密體系是基于大數因子分解。傳統計算機破解此類問題耗時漫長，而量子計算憑借其獨特的算法和強大的計算能力，能夠快速解決此類問題，這在軍事和戰略上至關重要。

在材料與量子化學領域，許多化學問題本質上基于量子力學原理。經典計算機在處理復雜分子結構和化學反應時，由于分子規模不斷增大，面臨性能限制。量子計算利用疊加和并行計算的原理，能夠更高效地解決這些基于量子力學的化學問題，加速新材料的研發和藥物分子的設計。例如，在藥物研發中，理論上量子計算可以大大縮短篩選抗癌藥物的時間，一天或許就能完成一種抗癌藥物的篩選，幾天內就能得到高效抗癌藥物，從而加快藥物實驗研發和醫療驗證的進程，為攻克疑難病癥帶來希望。

組合優化問題也是量子計算有望解決的重要領域。以快遞員送快遞為例，如何設計最優線路，使送快遞時間最短、路程最少、經濟效益最高，這是一個典型的組合優化問題。量子計算能夠通過其強大的計算能力，快速找到最優解，提高物流效率，降低成本。

量子計算的價值不僅體現在具體的應用領域，更在于它是下一輪計算基礎的重要基建。回顧半導體芯片在手機發展中的歷程，從幾百納米到幾納米的工藝進步，經歷了數十年的發展，推動了手機性能的巨大提升和應用的多樣化。量子計算同樣是一個需要長期積累的技術領域，在技術興起的初期參與其中，掌握核心技術，持續推進發展，對于國家和企業來說至關重要。誰先搶灘到量子計算的先發優勢，誰就能在未來的科技競爭中占據有利地位。

從產業發展角度看，量子計算與不同產業結合，將轉化為強大的經濟動力。在生物醫藥領域，除了藥物研發，還可以應用于疾病診斷、基因分析等方面，為個性化醫療提供支持。在金融領域，量子計算可用于風險評估、投資組合優化等，提高金融決策的準確性和效率。在交通領域，有助于智能交通系統的優化，實現更高效的交通流量管理。量子計算的發展也將帶動相關產業鏈的繁榮，包括量子芯片制造、量子算法研發、量子軟件設計等。這將創造大量的就業機會，培養一批高素質的科技人才，推動整個科技生態系統的升級。

未來應用

量子計算作為一項極具潛力的前沿技術，其未來應用前景備受關注。盡管目前量子計算仍處于發展初期，但它已展現出在多個領域改變現狀的巨大可能。

在現階段，普通人已有機會接觸量子計算。許多公司和科研機構提供了量子計算云平臺服務，將量子計算機與網絡相連。用戶只需注冊賬號，并學習一些量子計算機的基礎知識，就能在云端使用這些量子計算機。不過，目前使用量子計算機的主要是從業人員和愛好者，要像人工智能一樣廣泛影響大眾生活，還需要出現現象級的應用，這也是科研工作者們正在努力探索的方向。

從應用形式來看，未來通用量子計算機實現后，并不會完全取代經典計算機，而是與之形成相互補充的關系，類似于目前的CPU與GPU，它們有各自更適合的使用場景。量子計算是在特定領域具有顯著優勢，普通計算機也有自己的用武之地。

要使用量子計算，用戶需要學習一些基礎的量子計算知識，這與操作普通家庭電腦有所不同。未來，若能將量子門、量子線路等需要大量量子支持的基礎操作打包成更通用的方式，用戶或許就無需深入學習量子計算機制，也能更方便地上手使用。

量子糾錯

在量子計算領域，量子糾錯是為了解決量子比特容易受到環境干擾而失去量子特性的問題，確保量子計算的準確性和穩定性，為未來的廣泛應用奠定堅實基礎的關鍵一步。但現階段，量子糾錯面臨著諸多難點。量子計算機極易受到環境噪聲的影響，在計算過程中容易出現錯誤。量子糾錯旨在當量子比特出錯時，能夠將其糾正過來，其概念雖與經典計算機中的糾錯有相似之處，但量子糾纏的整個物理框架都是糾正環境帶來的錯誤影響。由于量子系統的獨特性，相關算法等需要進行改變和研究。

目前，科研團隊針對實現量子糾錯制定了明確計劃：一方面，繼續推進量子糾錯的研究。另一方面，基于現有的強大量子計算機，積極找尋在實際應用中有價值的量子算法。

科研團隊的故事

量子計算的工作環境極為特殊，需要在接近絕對零度的低溫狀態下運行。量子計算機的核心——量子處理器，會被放置在一個被稱為稀釋制冷機的大“冰箱”里。

為何需要如此低的溫度呢？一方面，量子計算采用的是超導量子計算技術，量子處理器上使用的是超導金屬，只有將其環境溫度降到超導金屬的臨界溫度以下，金屬才能表現出超導效應，處于超導狀態，從而降低芯片上的損耗，延長量子比特的生存時間。另一方面，環境中不可避免的熱噪聲會使量子比特在不同的量子能級之間發生躍遷，導致量子比特狀態不穩定。而接近絕對零度的低溫環境能讓量子比特“冷靜下來”，穩定地待在預期的狀態上。

不過，科研人員并不需要一直待在低溫環境中工作。他們只需把處理器放進稀釋制冷機，通過同軸線路將量子比特的控制和讀取信號輸出到室溫，然后在舒適的外界環境中，用電子學設備對其進行控制和讀取操作。

量子計算研究是一個跨學科、多領域的合作項目，涉及電子、計算、物理、工程等多個方面。以中科大團隊為例，整個研究鏈條完整且緊密。量子芯片的設計和加工制造是基礎環節，制造出芯片后，要將其放入稀釋制冷機，這就涉及到許多工程問題。之后，還需要對量子芯片進行測控，確保能夠準確地操縱和讀取量子比特的狀態。而測控過程中，信號的生成至關重要，這就需要電子學硬件方面的研究。同時，還需要軟件操作，通過軟件精確控制輸入到量子比特中的信號，以實現各種實驗和應用。

今天的節目嘉賓范道金博士主要負責測控方面的工作。在量子芯片制造出來后，他致力于提高量子芯片的讀取保真度和量子門保真度，實現如隨機線路采樣實驗等任務。郭少俊老師的工作則與范博士有相似之處，也主要負責量子芯片的測控和設計部分，此外，他還在使用量子計算機進行應用算法研究。

給青年朋友們的話

在科技飛速發展的今天，量子計算作為前沿領域，吸引著眾多小朋友和青年朋友的目光。如果有小朋友立志長大后要造量子計算機，或者想為這一領域做些準備，科學家們有著寶貴的建議。

范道金博士指出，對于小朋友而言，首要任務是完成當前階段的學習，扎實打好物理、數學、化學等基礎學科的根基。這是邁向量子計算領域的第一步。同時，可以多聆聽關于量子計算方面的科普講座，像墨子沙龍等舉辦的科普活動就是很好的學習途徑。由于量子計算目前主要屬于物理方向，若想投身其中，讀理科是個不錯的選擇。在大學階段，學好數理化至關重要。而且，量子計算目前正處于需要大量創新和大力發展的階段，保持好奇心和探索欲尤為關鍵。好奇心是探索未知的動力源泉，探索欲能驅使大家不斷深入研究，在量子計算的廣闊天地里挖掘新的知識和技術。

郭少俊老師補充道，量子計算行業并非只局限于物理專業，它需要各個領域的優秀人才。無論是學物理、計算機、軟件，還是涉及低溫等專業，都歡迎加入。這意味著青年朋友們有著多樣的選擇，可以根據自己的興趣和特長，在量子計算領域找到適合自己的發展方向。

當被問到面對量子計算這一有前景但艱難的任務，在無數次失敗和未知挑戰面前如何進行心理建設時，范道金博士分享了自己的經驗。他們會把困難分解成一個個小困難，每解決一個小困難，都會獲得一次很大的鼓舞。在遇到困難時，多與團隊里的老師、同學們交流，互相鼓勵，攜手共進。在科研的道路上，團隊的力量是無窮的，大家相互支持，能共同克服困難，不斷前行。

郭少俊老師則強調了熱愛和定力的重要性。首先要熱愛這一行，堅信量子計算這一方向是正確的，一定能夠取得成功。遇到問題時要保持定力，不被暫時的困難所動搖，保持樂觀的心態，一點一點地去解決問題。定力能讓我們在面對挫折時保持冷靜，不被失敗沖昏頭腦；樂觀則能讓我們在困境中看到希望，激發前進的動力。