半月談記者 何曦悅

從谷歌的“垂柳”到中國的“祖沖之三號”，量子計算的新突破總能登上科技進展的頭條。打開新聞一看，“比特”“糾纏”……都是些啥?量子計算，為什么這么重要?“量子計算原型機”，為啥不能把“原型”兩字省掉?

當然不能省。要理解量子計算，我們的故事就得從原型機講起。自然，更好的方式，是從中國科學家的最新突破，“祖沖之三號”講起……

點火：原型機新啟航

祖沖之，中國古代最偉大的數學家之一。量子計算界的“祖沖之”，本事同樣不小。

3月3日，中國科學家發布了他們成功構建的目前最高水準超導量子計算機——105比特超導量子計算原型機“祖沖之三號”，處理“量子隨機線路采樣”問題的速度比目前國際最快的超級計算機快千萬億倍，再次打破超導體系量子計算優越性世界紀錄。

“祖沖之三號”芯片示意圖

原型機?對，就是尚在實驗階段的量子計算機，它究竟和成熟的量子計算機有何不同?

量子計算原型機能夠驗證量子比特的疊加、糾纏等核心特性，在某些特定任務上已經展現出超越經典計算機的潛力，科學家尤其看重的，是它可以作為探索如何構建規模更大、更穩定的量子系統的平臺。我們常看到汽車廠商隔三岔五推出驚艷炫目、不過暫時還無法量產的“概念車”，量子計算原型機也是這樣的存在。

如果把量子計算比作人類邁向浩瀚星宇的“三級火箭”，那么量子計算原型機就是第一級引擎的“點火實驗”。它還做不到直接登陸月球，但可驗證某一技術路徑能否掙脫經典物理的“引力”束縛，沖向計算能力的深空。這是通向通用量子計算機的必經之路。

目前，驅遣量子系統高速計算，還面臨著退相干、噪聲干擾和量子糾錯等挑戰。科學家必須不斷優化量子比特的設計，改進冷卻和隔離技術，設計更加高效的糾錯算法，才能讓原型機日益成熟。這一階段，就像對概念車進行嚴苛的道路測試和安全認證，只有通過層層考驗，才能逐步改進設計，迎來批量生產。

值得說明的是，眼下一些量子計算產品盡管已試水商業市場，究其本質仍是原型機，實際使用時仍然受限于量子比特的數量和錯誤率，計算能力還無法全面超越經典計算機。

試煉：如何優化闖關

如今我們已經習慣乘坐高鐵高效出行，但是不要忘了，歷史上蒸汽機車曾經比馬車還要慢。如果說火車“改朝換代”的時刻，可以從蒸汽機車速度第一次超越馬車算起，那么在量子計算的演進史上，大家關注的指標，就是“量子計算優越性”——量子計算機在特定的問題求解上，表現出超越經典計算機的能力。

2019年，谷歌的“懸鈴木”超導處理器首次宣稱實現量子計算優越性，僅需200秒，就能解決當時世界上最快的超級計算機需要1萬年才能完成的運算。這就像是計算世界的武館，迎來了第一位踢館的少年。一年之后，中國科學技術大學團隊構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，使我國成為第二個實現量子計算優越性的國家。2021年，中國團隊憑借“祖沖之二號”反超“懸鈴木”，2024年谷歌再度刷新紀錄，而近期發布的“祖沖之三號”以更優性能重奪領先地位。

全球頂尖團隊巔峰對決，你追我趕，但并非跨過了量子計算優越性的門檻就萬事大吉了。現階段的量子計算優越性實驗，就像是專家們為量子計算機量身打造的“考卷”，它們非常適合量子計算設備發揮潛力，包括“隨機線路采樣”“玻色采樣”等，但可惜，還沒有太多實用價值。目前科學界的共識是，一臺能求解有實用價值問題的超導量子計算機，需要有上百萬個量子比特。

為何需要這么多比特?是因為量子計算理論上所說的比特，是指完美的、不會發生任何錯誤的比特，專業上稱“邏輯比特”。然而現實中的東西總是不完美的，目前各類量子計算機原型機中的量子比特也是這樣，它們叫做“物理比特”，極易受噪聲影響。

因此，量子糾錯這一重要課題就出現了，簡單來說，就是“增加冗余的量子比特數”，通過把多個物理量子比特編碼為一個邏輯量子比特，實現糾錯。物理量子比特越多，就越能降低錯誤發生率。

你可以把量子比特想象成一群容易跑調的合唱團員。如果只讓一個量子比特獨唱，遇到干擾稍一走調，整首歌就毀了。而量子糾錯就像讓幾人一組齊唱同一句歌詞：即使其中一人跑調，剩下幾位的正確音高仍能糾正錯誤，讓整體旋律保持和諧。

不消說，為了糾錯，需要充足的物理量子比特。而且，要想邏輯量子比特表現得比物理量子比特更優異，本身要求物理量子比特的出錯率低于一個特定的值，不然只會“越糾越錯”。再怎么說，合唱團也不能招五音不全的團員啊!

中國的“祖沖之三號”除了量子計算優越性取得新突破，在量子糾錯方面也頗有進展。中國科學技術大學教授、“祖沖之號”量子計算原型機總設計師朱曉波介紹，今年，團隊正在開展碼距為7的表面碼糾錯研究，希望接下來能擴展到9乃至11，為實現大規模量子比特的集成和操縱鋪平道路。

“祖沖之號”量子計算原型機總設計師朱曉波（右）與學生討論制冷機狀態 代蕊 攝

遠眺：通用計算風起

20世紀30年代，“圖靈機”的概念被提出，10年之后，世界上第一臺通用計算機誕生。當時的人們面對著這臺占地面積150平方米、總重量約27噸的笨重大家伙，可能很難想象，它會帶領人們步入產業革命的新紀元——信息時代。

如今離實際應用尚還遙遠的量子計算原型機，正是下一個紀元的種子。目前，全球科學家各顯神通，不同技術路線可謂千帆相競。超導量子、光量子、離子阱、半導體量子點、中性原子……也許我們還不能確定通用量子計算機會從哪一條賽道脫穎而出，但目前最受關注的，是超導和光學體系兩家。

超導量子計算作為一種固態量子計算方案，具有可擴展性好、量子比特相干時間長、操作速度快、保真度高等眾多優點，技術路線相對成熟，易于利用現有半導體、超導工藝設備制造和集成。但它依賴極低溫環境運行，糾錯與噪聲抑制目前表現也不理想，仰賴大量冗余和復雜的糾錯算法才能實現容錯計算。

光量子比特具有不怕干擾的特性，能夠在室溫環境下可靠地執行計算，但是由于光子間相互作用過于玄妙，難以執行復雜量子門，目前看只適合專攻特定問題。

值得欣喜的是，中國是眼下全球唯一在超導和光量子兩條路線都實現了量子計算優越性的國家，離子阱、超冷原子等多條技術路線也是生機勃勃。

誠如潘建偉院士所言，量子信息技術還需要長期發展，一個積極、理性且促進合作的環境是必要的。新一輪量子革命需要耐心催化，而“祖沖之三號”的里程碑，或許只是序章。

通用量子計算的星火燃起之際，世界會煥發出新的光彩嗎?這是一件值得期待的事。