朱曉波教授：沒有量子優(yōu)越性，就沒有提供真正算力的任何可能

6月4日消息 “量子優(yōu)越性是指在一個特定問題上超過經(jīng)典計算機。未實現(xiàn)量子優(yōu)越性，則任何計算任務都可被經(jīng)典計算機模擬，談不上提供真正的算力。”

第七屆數(shù)字中國建設峰會期間舉辦的中國電信智算云生態(tài)大會·量子信息分論壇上，中國科學技術大學教授、博士生導師、“祖沖之號”量子計算原型機總師朱曉波發(fā)表主旨演講時強調(diào)。

近年來，量子技術取得重大突破，已成為典型的新質生產(chǎn)力，今年政府工作報告明確提出，“制定未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，開辟量子技術新賽道。”在這一背景下，本次量子信息論壇集聚了產(chǎn)學研各界的專家分享，并吸引了來自各個行業(yè)的代表出席，以把握量子技術帶來的大變革、大機遇。

如何打造實用量子計算機？

朱曉波介紹，量子信息發(fā)展已久，最早可以追溯到19世紀末期普朗克提出量子論，20世紀初量子力學建立，帶來了第一次量子革命，為量子信息發(fā)展奠定了理論基礎。隨著技術不斷進步，人類可以對單個粒子進行有效調(diào)控和測試，創(chuàng)造了全新的量子信息產(chǎn)業(yè)：量子通信、量子計算、量子精密測量等。

“其中量子通信最為成熟，已開始落地應用，但量子計算還處在原理驗證和關鍵技術突破階段。”朱曉波指出，不同于經(jīng)典計算，量子計算基于量子比特，隨著比特數(shù)增加，量子計算具備指數(shù)級的加速計算能力。要實現(xiàn)量子計算，就需要去操控能量不可分的最小單元，因而如何制造出實用化的量子計算機，成為業(yè)界面臨的最大挑戰(zhàn)。“一旦實現(xiàn)，對國家安全、對信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展，都將是革命性的。”

如何打造一臺實用化的量子計算機？有兩個必要條件：一是降低比特操控錯誤率；二是增加量子比特數(shù)目，兩者必須同步進行?；谶@兩個指標，朱曉波分別介紹了量子計算發(fā)展的三個階段：

第一個階段，可經(jīng)典模擬階段，這個階段量子計算機執(zhí)行的計算任務都可以用經(jīng)典計算機進行模擬；而以實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”或稱“量子稱霸”為標志，即針對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機，就進入第二個階段，即帶錯誤的中等規(guī)模近期應用階段，這個階段比特數(shù)達到一百到數(shù)千，同時做到較低的比特門錯誤率，可以實現(xiàn)具有特定領域的應用價值的專用量子計算，可在組合優(yōu)化、量子化學、機器學習等方面發(fā)揮效用；第三個階段，實現(xiàn)大規(guī)模容錯通用量子計算機，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。

“近幾年來，國家和業(yè)界對量子計算研究進行了大量投入。”朱曉波如是說。全球有4臺量子計算機實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，分別是美國谷歌的懸鈴木（Sycamore）、中國的光量子計算機“九章”和超導量子計算機“祖沖之二號”、加拿大Xanadu的北極光（Borealis）。中國是目前世界上唯一在超導量子和光量子兩種物理技術路線上都實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

超導量子計算機產(chǎn)業(yè)進展

量子計算機有多條技術路線，包括超導量子比特、超冷原子、光量子、離子阱、半導體量子點、拓撲量子計算、金剛石N-V色心等。這些技術路線各有優(yōu)勢，而超導技術路線的芯片制備與集成電路工藝高度一致，所以具備良好的可擴展性，同時基于無損耗的超導電路構建的宏觀人造原子體系又兼顧了良好的環(huán)境隔離性與控制靈敏度?；谶@些優(yōu)勢超導量子計算機目前在眾多技術路線的發(fā)展中已經(jīng)走在前列，被認為是最有希望實現(xiàn)大規(guī)模實用化的量子計算機技術路線之一。

作為“祖沖之號”量子計算原型機總師，朱曉波重點講解了超導量子計算機的產(chǎn)業(yè)進展。他介紹了超導量子計算機幾大組成部分：一是量子處理器和實現(xiàn)極低溫極低噪聲的低溫組件，要操控量子，必須將其放在極低溫（20 mK,約零下273.13℃）環(huán)境；二是室溫區(qū)電子學操控系統(tǒng)；三是操控軟件系統(tǒng)。最后是量子計算云平臺，這是做大做強量子計算生態(tài)的關鍵，要與量子硬件同步發(fā)展、互相促進。

“一個超導量子比特翻轉一次的能量，大概是蝴蝶扇動一下能量的10億億分之一。也就是操控10億億分之一的翻轉，同時精度還要達到萬分之一。”朱曉波感嘆。在研究團隊的努力下，中科大將每個量子比特錯誤率降低到了約千分之一的水平。同時，中科大還自主研發(fā)了稀釋制冷機、電子學控制系統(tǒng)等關鍵組件，解決了被國外“卡脖子”的難題，甚至相關產(chǎn)品已經(jīng)開始拓展海外市場。

“我們要實現(xiàn)量子優(yōu)越性，我們要爭口氣。谷歌懸鈴木率先實現(xiàn)了量子優(yōu)越性，但我們的‘祖沖之二號’在單比特門保真度、雙比特門保真度、讀取保真度等重要標定量子處理器基本性能的指標參數(shù)上都明顯優(yōu)于谷歌懸鈴木。”朱曉波再度強調(diào)，“為了保持我們在超導體系量子計算的領先優(yōu)勢，我們會持續(xù)做更深度的量子優(yōu)越性實驗，否則所有的東西都是鏡花水月。同時與谷歌等國際量子計算團隊的競爭將會持續(xù)存在。”

“天衍”量子計算云平臺扮演要角

在演講中，朱曉波重點強調(diào)了量子計算云平臺的價值。他認為，超量融合的量子計算云平臺已經(jīng)成為量子計算走向實用化的主流形式。量子計算想要成功，需要真正落地到行業(yè)中去探索應用，同時反過來啟發(fā)研究者的靈感，打造更加易用的量子計算開發(fā)者工具體系。

“即使現(xiàn)階段的量子計算機還不具備解決實際應用問題的能力，也必須花大力氣建設好云平臺，云服務是量子計算未來應用的主流模式。量子計算機硬件一旦取得重大突破，必將迸發(fā)出巨大的能量。”

中國電信在這一領域進行了重要的前瞻性布局。中電信量子集團作為中國電信全資子公司，承擔了中國電信發(fā)展量子信息產(chǎn)業(yè)的使命。

2023年11月，在廣州召開的2023數(shù)字科技生態(tài)大會上，中國電信正式發(fā)布了 “天衍”量子計算云平臺。“天衍”量子計算云平臺實現(xiàn)了“國云”天翼云超算能力和176量子比特超導量子計算能力的融合，是具有“量子優(yōu)越性”能力的超量融合云平臺。

半年之后，在本次論壇上，中電信量子集團在內(nèi)4家合作伙伴聯(lián)合發(fā)布了“四算融合試驗場”，進一步深化超量融合應用技術發(fā)展。

“我們將堅定量子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，持續(xù)推動量子科技基礎研究和技術研發(fā)成果向多行業(yè)領域的融合創(chuàng)新應用。發(fā)揮央企在建設現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，構建新發(fā)展格局中的科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)控制和安全支撐作用，為推動量子基礎研究，多行業(yè)的融合創(chuàng)新發(fā)展，打造新質生產(chǎn)力而不懈努力。”中國電信副總經(jīng)理唐珂在會上表態(tài)。

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