從550A迭代到550W，能夠推算地球危機、賦能數(shù)字生命、驅(qū)動上千座行星發(fā)動機……正在熱映的科幻電影《流浪地球2》中，無處不在、洞悉未來的智能量子計算機“MOSS”被譽為“全場最有價值的道具”。
科幻照進現(xiàn)實。2月12日，位于安徽省合肥市的中國首家量子計算公司本源量子實驗室向公眾開放，《科技周刊》記者有幸提前探訪了這一實驗室，零距離“圍觀”4臺“中國造”量子計算機。
比指甲蓋還小的量子芯片，內(nèi)有大乾坤
走進本源量子實驗室一樓的展示大廳，4臺近2米高的大型機器出現(xiàn)在記者的眼前，它們分別為“研發(fā)一號”“研發(fā)二號”“研發(fā)三號”“研發(fā)四號”。如果不是工作人員提醒，似乎很難將它們和越來越“小巧”的計算機聯(lián)系起來。只見每一臺機器都有一個巨大的白色桶狀主體連接著多臺電子顯示屏，工作人員監(jiān)測著各類數(shù)據(jù)，機器最“閃耀”的地方，是無數(shù)根金色或銀色的“電線”連接著“金色”的圓盤……
“秘密就在這一個個‘套筒’里?！敝袊嬎銠C學(xué)會(CCF)量子計算專業(yè)組副主任、合肥本源量子計算科技有限責(zé)任公司總經(jīng)理張輝博士告訴記者，白色桶狀主體是一個超低溫制冷系統(tǒng)和主動減振系統(tǒng)，為量子計算機的散熱及穩(wěn)定運行提供環(huán)境保障，而量子計算機的核心——比指甲蓋還小的超導(dǎo)量子芯片裝在“套筒”的底部。
“我們是不是可以理解為現(xiàn)階段的量子計算機就如同幾十年前那些占據(jù)整個屋子的巨大計算機一樣，也就是現(xiàn)在我們使用的個人電腦（即經(jīng)典計算機）的‘前生’？”記者問。“可以這樣理解?！睆堓x答?，F(xiàn)在，量子計算機處于同樣的初創(chuàng)階段，這項技術(shù)目前就好比處在電子管時代的經(jīng)典計算機。
“但是，量子計算機是一種新型計算機，與經(jīng)典計算機的不同之處從‘邏輯’上開始?！?張輝解釋。量子計算機拋棄了經(jīng)典計算機的晶體管，利用量子物理學(xué)原理來處理信息和計算，使用量子比特（類似于二進制的0和1）來存儲和處理數(shù)據(jù)，這使得它能夠在極短的時間內(nèi)完成復(fù)雜的計算任務(wù)。
張輝透露，眼下，本源量子已成功交付一臺量子計算機給用戶使用。該量子計算機的成功交付，使我國成為世界上第三個具備量子計算機整機交付能力的國家。同時，在實驗室里還有首個國產(chǎn)量子計算機操作軟件系統(tǒng)“本源司南”。
信息爆炸時代，量子算力讓數(shù)據(jù)更有價值
眾所周知，現(xiàn)階段的超級算力“擁有者”是超級計算機。如今超級計算機每秒能運算5000萬次以上。和超級計算機相比，量子計算機是否更勝一籌？
“海量數(shù)據(jù)每天都在爆炸性增長，現(xiàn)有的傳統(tǒng)計算機能夠存儲的數(shù)據(jù)量有限，隔段時間就要刪除清理。事實上，這些歷史數(shù)據(jù)具有巨大的潛在價值?！睆堓x介紹，人工智能行業(yè)數(shù)據(jù)量的增長大概每3個月就會提升一倍。為了滿足數(shù)據(jù)的算力需求，經(jīng)典計算機的集成度也一直在提升，晶體管不斷縮小，目前已縮小到3—5納米。
“就像修建大壩一樣，我們剛開始用土壩擋住洪水。之后為了讓大壩更加‘瘦身’，我們會用合金，最后，大壩可能只有一張紙那么薄。但是，這么薄的大壩很容易滲水?！睆堓x解釋，1納米的厚度相當(dāng)于10個原子，當(dāng)晶體管薄到十幾個原子的尺度時，電流里的電子很可能會穿過開關(guān)，這也就意味著，晶體管的體積很難再繼續(xù)縮小，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)計算機已無法滿足算力需求，難以支撐行業(yè)對算力的渴求。而量子計算機海量數(shù)據(jù)并行運算的優(yōu)勢，可以助力人工智能、金融等行業(yè)發(fā)展，受到國際青睞。
張輝繼續(xù)解釋，量子計算是指遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式。從原理上來說，經(jīng)典計算通過控制晶體管電壓的高低電平，從而決定一個數(shù)據(jù)是“1”還是“0”，對應(yīng)的是經(jīng)典比特。而量子計算機使用的量子比特，能夠同時具備“0”和“1”的兩種狀態(tài)，我們稱之為量子比特。就像開燈一樣，傳統(tǒng)計算機只能開燈或者關(guān)燈，結(jié)果顯示的只是燈亮或者不亮，而量子計算機的“開關(guān)燈”是一個調(diào)節(jié)的過程，就像旋轉(zhuǎn)按鈕一樣，可以從暗逐步調(diào)到亮，讓亮度更加精準(zhǔn)化。
“一個含有n個比特的經(jīng)典存儲器可以存儲2n個可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任意一個，如果是量子存儲器，則可以同時存儲2n個數(shù)據(jù)，相當(dāng)于2n個經(jīng)典計算機的CPU同時工作?！睆堓x表示，每增加一個量子比特，量子計算機的運算能力將以指數(shù)倍增加。一旦量子比特數(shù)達到50個以上，它就能在處理某些特定問題時展現(xiàn)超越超級計算機的運算能力。理論上，擁有50個量子比特的量子計算機性能就能超過現(xiàn)今世界上最先進的超級計算機“天河二號”。
手機、平板、筆記本……目前我們使用的科技產(chǎn)品依賴的是傳統(tǒng)計算機芯片。量子計算機未來將在人類生活中占怎樣的比重？能夠替代經(jīng)典計算機的地位嗎？
“從現(xiàn)階段來看，量子計算機的計算能力還無法超越超算，但面向未來，量子計算機必然會有更出彩的‘成績’?！睆堓x表示。
早在2019年，谷歌就曾用一塊53個量子比特的超導(dǎo)量子芯片實現(xiàn)了量子優(yōu)越性，證明在某一特定問題上量子計算機超越經(jīng)典計算機的能力。
中科院量子信息重點實驗室副主任、本源量子創(chuàng)始人、首席科學(xué)家郭國平表示，接下來的3—5年內(nèi)，量子計算將會在人類實際生產(chǎn)生活中產(chǎn)生看得見的效益，“它至少可以發(fā)揮加速器的價值，大幅降低計算時間和成本，節(jié)能增效。比如用10臺傳統(tǒng)超算計算一個問題需要一個月，如果疊加一臺量子計算機，計算時間可能會縮減至3—7天，加速器的作用不是替代傳統(tǒng)計算機，而是讓傳統(tǒng)計算機算得更快?！?/p>
“對于普通用戶來說，或許并不需要了解量子計算的過程。就像經(jīng)典計算機一樣，很多人并不了解CPU是怎么工作的，但只要學(xué)會怎么用就可以了。所以，從現(xiàn)階段來看，雖然量子計算機的展現(xiàn)形式將依舊是電腦、手機或更豐富的顯示屏，但人們可以享受到‘飛一般’的算力體驗。”張輝表示。
未來可期，今年江蘇省內(nèi)將落地量子專業(yè)研究所
在《流浪地球2》中，當(dāng)量子計算機從550A迭代到550W時，數(shù)字生命“丫丫”從只有幾分鐘的生命轉(zhuǎn)變到擁有了完整的一生。那么，現(xiàn)階段的量子計算機處于550“前系列”的哪一個階段呢？
張輝坦言：“如果550A系列是通用型量子計算機的話，那么只有到達百萬數(shù)量級的比特數(shù)，才能開始研究通用型量子計算機。因此，從現(xiàn)在到550A，我們還有很長一段路要走，或許需要5到10年。那么從550A到550W，相信10年后的科技可以給我們帶來更多驚喜。”
與傳統(tǒng)計算機的核心部件CPU不同的是，量子計算機的核心部件是量子芯片（QPU）。由于量子計算體系尚處于初級階段，各國研究者正從已知的多種能產(chǎn)生量子效應(yīng)的物理體系入手，試圖找到打造量子芯片的“最優(yōu)解”。“目前，量子芯片的物理制備體系有超導(dǎo)體系、半導(dǎo)體體系、離子阱體系、光學(xué)體系、中性原子體系、拓撲體系等?！惫鶉奖硎?。
“量子計算一定是人類集體智慧的產(chǎn)物，我們希望在量子計算領(lǐng)域，為國家‘爭’到足夠多的核心專利，讓中國在全球量子計算科研領(lǐng)域占有一席之地。”張輝說，值得重視的是，目前電學(xué)路線量子計算能夠復(fù)用大部分的產(chǎn)業(yè)設(shè)備、材料資源，但還有一些設(shè)備與材料需要進行新的研發(fā)和探索。量子計算產(chǎn)業(yè)的推動，需要全產(chǎn)業(yè)鏈的參與?！氨热?，谷歌目前生產(chǎn)的量子芯片尺度是12納米，這是我們目前想擁有、但國內(nèi)不具備的技術(shù)。如果生產(chǎn)幾十萬個量子比特的通用量子計算機的話，就需要更先進、更精細的設(shè)備。3到5年后，國內(nèi)如果無法自主解決這個設(shè)備，量子計算或?qū)⑾萑肜Ь??！?/p>
在張輝看來，量子計算機的迭代需要一代代人去接力完成。當(dāng)前，本源量子和江蘇省內(nèi)的東南大學(xué)、南京郵電大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校，展開量子計算教育合作。“我們希望通過量子計算全物理體系學(xué)習(xí)機、專家線上講解等手段，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)搭建量子比特、用量子語言寫量子程序，完全掌握量子計算?！?/p>
“我們曾多次前往本源量子實驗室調(diào)研探訪，希望能夠?qū)⒘孔佑嬎闩c省內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)融合，并帶動江蘇量子技術(shù)發(fā)展?！苯K省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長助理郜軍說，本源量子曾與中科院蘇州納米所攜手制造加工量子芯片，建立了一定的合作基礎(chǔ)。今年，江蘇產(chǎn)研院將在省內(nèi)落地一座量子專業(yè)研究所，開展量子科技研究，賦能江蘇量子計算發(fā)展。
記者 張宣 葉真 實習(xí)生 孫廣哲