量子計算，怎么它就這么玄？

從“悟空”催生大算力、光子跳出“霍爾舞步”，到大規(guī)模量子云算力集群、500+比特超導量子計算芯片的誕生，量子計算接連搞出“大新聞”。那么，量子計算到底有啥不一樣？

“穿著冰箱”的龐然大物

在哪里才能一睹量子計算機的真容？北京西北部的北京量子信息科學研究院（簡稱“北京量子院”）量子極低溫實驗室是一個不錯的選擇。

走進實驗室，一眼就可看到插滿線纜的“龐然大物”，實驗室像是賽博世界的巨型車間。

咦，“極低溫”，為什么我還不冷？傳說中的“絕對零度”呢？

“絕對零度”就在實驗室一臺懸空的圓筒狀“冰箱”里。這臺巨大的“冰箱”，最核心位置的溫度僅比絕對零度高出一丁點兒（約為絕對零度以上0.01度）。其中泛著金屬光澤的鋁罐里，豎著若干根如俄羅斯套娃般嵌套的金色圓柱，一圈圓柱的中央是一盞長滿無數線纜的“吊燈”，牽出的線纜透過層層疊疊的金屬層，連接底座上的量子芯片。

超導量子計算芯片、扮演大冰箱角色的稀釋制冷機，再加上配套的電子學設備——好了，量子計算機的“三件套”，這就算飽了眼福了。

為啥非得用這么高級的“冰箱”？原來，量子態(tài)非常脆弱，極低溫環(huán)境可以盡量降低熱噪聲，大“冰箱”還能為量子芯片隔離外界的電磁噪聲，只有這樣，量子計算才可能盡量精準。

北京量子院研究員、相干（北京）科技有限公司創(chuàng)始人金貽榮指著其中一臺“龐然大物”說，如果是處理隨機線路取樣等特定問題，量子計算機的計算速度比最快的經典計算機要快成千上萬倍。

我想起看過的報道，世界上最快的超級計算機求解某特定數學問題約需200億年，而用“九章三號”量子計算原型機只需百萬分之一秒，比超算快一億億倍。

量子計算威力何來

量子計算機相當于一臺擁有超能力的超級計算機。傳統計算機信息量的最小單位是比特（BIT，也就是“二進制數”的縮寫），量子計算也借用這個概念，不過“量子比特”可不是數，而是量子態(tài)。量子比特在同一時刻可有兩種狀態(tài)相互疊加，就好像一枚硬幣在半空中不斷旋轉，讓人無法辨清正反面孰上孰下。正是這種疊加態(tài)，讓量子計算的計算能力較傳統計算有了指數級的增強。

北京量子院研制的量子計算機

無從揣摩的量子態(tài)，使得量子計算天生適于處理密碼破譯、金融分析、天氣預報等變化莫測的計算難題。以“玄”解“玄”，量子計算將帶我們探索更多的未知，將我們視為“魔法”的事物變?yōu)楝F實。

下一步，看應用生態(tài)！

經典計算機經過近80年的發(fā)展，晶體管越做越小，中間的阻隔也越來越薄，3納米芯片的阻隔僅相當于幾十個原子成列。如此下去，芯片上可能會發(fā)生量子隧穿效應，“0”和“1”的精準分別失靈，傳統計算也就觸到了“天花板”。

替代方案是什么？算力升上去、能耗降下來的量子計算，為各方看好。不過，量子計算的應用生態(tài)，建設還剛剛起步。

“在實驗室里造出了量子計算機，接下來的緊迫任務就是怎樣讓它在更多應用場景發(fā)揮威力。我們的想法是，讓大算力的量子計算機聯網、上云，不必局限于本地應用?！敝袊茖W院物理研究所研究員范桁介紹由北京量子院研發(fā)的Quafu量子計算云平臺及算力集群時這樣說。如果說過去的量子計算機就像一款單機游戲，量子計算云平臺就相當于“聯機對戰(zhàn)”，將不同地方的量子算力整合到一起。

而今，有了新一代架構量子計算芯片、高密度測控線路、量子測控電子學系統的助力，近600個量子比特飛馳在云端，Quafu平臺的算力增長可謂日新月異。

“眼下，量子計算‘+超算’‘+智算’無疑是前沿潮流，我們希望Quafu平臺能‘加’出更多的奇妙可能，讓中國量子計算的應用生態(tài)欣欣向榮。”范桁期待中帶著篤定。

半月談記者：張漫子 /編輯：范鐘秀

原標題：《以“玄”解“玄”，量子計算》