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證券時(shí)報(bào)記者 余勝良

在科技日新月異的今天，量子計(jì)算這一前沿領(lǐng)域每隔一段時(shí)間就會(huì)傳來令人振奮的消息。

近期，谷歌公司公布了一款名為Willow的新量子芯片，它擁有高達(dá)105個(gè)“量子比特”，這一成就再次刷新了人們對(duì)量子計(jì)算的認(rèn)知。幾乎與此同時(shí)，由中國科學(xué)家研制的同樣擁有105個(gè)量子比特的“祖沖之三號(hào)”量子計(jì)算機(jī)也在學(xué)術(shù)預(yù)發(fā)布平臺(tái)arXiv上發(fā)表了研究成果。中美兩國在量子計(jì)算領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，呈現(xiàn)出你追我趕的激烈態(tài)勢(shì)。

盡管量子計(jì)算機(jī)距離真正實(shí)用化還有很長(zhǎng)的路要走，但無數(shù)科學(xué)家已經(jīng)投身其中，致力于讓這一夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。其中，中國科學(xué)院院士、深圳國際量子研究院院長(zhǎng)、南方科技大學(xué)講席教授俞大鵬便是其中的佼佼者。他早年研究納米技術(shù)，近年來則領(lǐng)導(dǎo)成立了深圳國際量子研究院，帶領(lǐng)眾多青年才俊在量子計(jì)算領(lǐng)域向前突破。

近日，證券時(shí)報(bào)記者對(duì)俞大鵬院士進(jìn)行了專訪，就量子計(jì)算的相關(guān)問題進(jìn)行了深入探討。俞大鵬感嘆，量子計(jì)算機(jī)是人類挑戰(zhàn)操控微觀世界極限能力的世紀(jì)系統(tǒng)工程，其復(fù)雜性和難度超乎想象。

1  微觀世界

量子理論是由一系列杰出的物理學(xué)家在20世紀(jì)初共同創(chuàng)立的。德國物理學(xué)家普朗克在1900年首次提出了量子的概念，隨后愛因斯坦、玻爾、薛定諤、狄拉克等人紛紛加入，共同揭示了量子現(xiàn)象的奧秘。在20世紀(jì)的前半期，一個(gè)完整的量子力學(xué)理論框架逐漸建立起來。

量子運(yùn)動(dòng)具有非連續(xù)性、不可分割性，以及疊加和糾纏等特性。其中，疊加態(tài)是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)之中，而糾纏態(tài)則是指兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間存在一種神秘的關(guān)聯(lián)，使得它們的狀態(tài)無法被單獨(dú)描述。這些特性使得量子世界充滿了奇妙和神秘色彩。

對(duì)于量子狀態(tài)的最著名描述來自于薛定諤的貓實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，一只貓可以同時(shí)處于生與死的疊加狀態(tài)。但當(dāng)我們打開籠子觀察時(shí)，貓就會(huì)“坍縮”到生或者死這一種確定的狀態(tài)。這種奇特的現(xiàn)象讓人難以理解，甚至像愛因斯坦這樣的科學(xué)巨匠也感到費(fèi)解。他曾經(jīng)說過：“上帝為什么會(huì)擲骰子呢？”這句話表達(dá)了他對(duì)量子世界不確定性的困惑。

薛定諤本人在量子力學(xué)上取得了卓越的成就，但他同時(shí)也是一個(gè)懷疑者。他提出的“薛定諤的貓”這一例子，原本是對(duì)量子現(xiàn)象的一種質(zhì)疑和反思，但后來卻成為了普通人了解量子理論的一個(gè)重要通道。

這些偉大的物理學(xué)家自幼學(xué)習(xí)的是經(jīng)典物理學(xué)，他們認(rèn)為世界是可知的、確定的、可描述的。然而，當(dāng)他們踏入微觀世界的大門時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的、充滿挑戰(zhàn)的未知世界。他們不斷地解釋各種現(xiàn)象，提出各種天才的公式和理論，不斷地顛覆自己的認(rèn)知。

正是在這樣的背景下，量子計(jì)算機(jī)的概念應(yīng)運(yùn)而生。1982年，理查德·費(fèi)曼首次提出了量子計(jì)算機(jī)的概念。他認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)可以通過模擬量子力學(xué)現(xiàn)象來解決某些經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理的問題。這一想法為計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展開辟了一條全新的道路。

2  算法與實(shí)現(xiàn)

經(jīng)典計(jì)算機(jī)是基于電流的開關(guān)來進(jìn)行運(yùn)算的。通過一開一關(guān)的組合，計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)算功能。這種運(yùn)算方式可以用簡(jiǎn)單的代碼簡(jiǎn)化為1和0的組合，原理簡(jiǎn)單易懂。

量子計(jì)算機(jī)以量子比特為基本運(yùn)算單元。與經(jīng)典比特不同，量子比特利用的是量子世界的疊加規(guī)律。這意味著一個(gè)量子比特可以同時(shí)處于0和1之間的任何兩個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)中，只是概率大小不同而已。這種疊加態(tài)的特性使得量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，大大提高了運(yùn)算效率。

為了更直觀地解釋量子計(jì)算的威力，俞大鵬院士喜歡用迷宮來作比喻。他說：“如果我們派100個(gè)人走一個(gè)特別復(fù)雜的迷宮，每個(gè)人相當(dāng)于一個(gè)經(jīng)典比特。這100個(gè)人不允許帶手機(jī)交流，只能試錯(cuò)前進(jìn)。最后這100個(gè)人全部從出口出來，這相當(dāng)于他們各自獨(dú)立完成了自己的任務(wù)，互相之間沒有糾纏和干擾。但如果我們用量子計(jì)算機(jī)派出100個(gè)量子比特去走這個(gè)迷宮呢？它們會(huì)構(gòu)筑一個(gè)2的100次方的線波特態(tài)空間。這相當(dāng)于孫悟空拔出一根毫毛變出了2的100次方個(gè)猴子，每個(gè)猴子都能同時(shí)去探路。這些猴子之間互相糾纏、相干相消，走通的地方就消失了，走不通的地方則省去了很多計(jì)算的過程。這就是量子計(jì)算機(jī)無與倫比的計(jì)算模式優(yōu)勢(shì)?！?/p>

經(jīng)典計(jì)算機(jī)是通過串聯(lián)的方式逐個(gè)解決問題的，而量子計(jì)算機(jī)則是通過并聯(lián)的方式同時(shí)處理多個(gè)問題的。這種差異使得量子計(jì)算機(jī)在處理某些特定問題時(shí)具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算，科學(xué)家們構(gòu)建了許多工具來計(jì)算和描述量子的狀態(tài)。比如將量子的狀態(tài)想象為一個(gè)布洛赫球，使用傅里葉變換算法來計(jì)算其某個(gè)狀態(tài)的概率。

在量子計(jì)算中，常見的量子門有Hadamard門、CNOT門和Pauli-X門等。這些量子門相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的邏輯門，用于對(duì)量子比特進(jìn)行操作和運(yùn)算。通過組合這些量子門，科學(xué)家可以構(gòu)建出各種復(fù)雜的量子算法來解決實(shí)際問題。Shor算法是量子計(jì)算領(lǐng)域的一個(gè)重要突破。此外，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家格羅弗在1996年提出了量子搜索算法（Grover算法）。

目前，量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)路線有多種，包括超導(dǎo)量子、離子阱、光量子、中性原子、硅自旋以及拓?fù)浼夹g(shù)路線等。其中，超導(dǎo)量子計(jì)算是主流之一，目前全球范圍內(nèi)走超導(dǎo)路線的量子計(jì)算機(jī)占比高達(dá)42%。

超導(dǎo)量子比特芯片加工工藝與半導(dǎo)體行業(yè)微納加工工藝相似，具有器件結(jié)構(gòu)尺寸較大、成品率高、耦合容易且形式靈活多樣、可擴(kuò)展性高以及操控速度快等優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使得超導(dǎo)量子計(jì)算成為最有可能實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的路線之一。

3  依賴高精設(shè)備

科學(xué)家們?cè)诹孔佑?jì)算領(lǐng)域的不懈努力，旨在實(shí)現(xiàn)量子的精確控制，使其進(jìn)入并維持在量子態(tài)，以便進(jìn)行高效的計(jì)算操作。然而，量子控制的難度之大，遠(yuǎn)非傳統(tǒng)技術(shù)所能比擬。盡管早在1999年，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的概念就已提出，但將其從理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用，仍需跨越重重難關(guān)。

俞大鵬上世紀(jì)90年代便對(duì)量子計(jì)算產(chǎn)生濃厚興趣，認(rèn)為“量子計(jì)算，無疑是科學(xué)界的貴族領(lǐng)域”。他坦言，“它不僅需要高精尖的設(shè)備支持，更需投入巨額資金。當(dāng)時(shí)，國內(nèi)具備這樣條件的單位屈指可數(shù)，北大、清華等少數(shù)名校方才有此實(shí)力?！绷孔佑?jì)算的核心，在于對(duì)量子態(tài)的精準(zhǔn)操控，而非簡(jiǎn)單的原子層面操作。因此，高精尖的設(shè)備成為了不可或缺的基石。

在北大深耕納米材料研究的二十年間，俞大鵬院士逐漸掌握了量子調(diào)控的技藝。納米結(jié)構(gòu)中的量子效應(yīng)，為他的研究提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)納米線施加電、磁、熱、光等多種外部刺激，他深入探究了量子態(tài)的性質(zhì)及其調(diào)控規(guī)律。這些技術(shù)，不僅為納米材料的研究開辟了新徑，更為后續(xù)的量子計(jì)算研究奠定基礎(chǔ)。

2016年，俞大鵬院士攜手南方科技大學(xué)與深圳當(dāng)?shù)卣?，共同?chuàng)立了深圳量子研究院。在歷經(jīng)多次選址后，研究院最終在福田落戶，擁有了一萬多平方米的辦公空間。

2018年，面對(duì)量子計(jì)算可能遭遇的技術(shù)封鎖，俞大鵬院士著手布局支撐我國量子計(jì)算的根技術(shù)和核心工具，其中電子束光刻機(jī)尤為關(guān)鍵。作為加工量子芯片和量子器件的核心設(shè)備，電子束光刻機(jī)的自主研發(fā)對(duì)于我國量子計(jì)算的發(fā)展至關(guān)重要。在廣東省科技廳的大力支持下，深圳國際量子研究院成功實(shí)現(xiàn)了電子束光刻機(jī)的國產(chǎn)替代和自主可控，為國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)提供了緊急支持，實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破。

2019年，深圳國際量子研究院又踏上了新的征程——研發(fā)制冷機(jī)。對(duì)于超導(dǎo)量子計(jì)算而言，低溫環(huán)境是維持量子態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵。稀釋制冷機(jī)能夠制造出接近絕對(duì)零度的極端低溫環(huán)境，為量子計(jì)算提供了必要的保障。目前，該制冷機(jī)已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，并取得了技術(shù)上的重大突破。

如今，深圳國際量子研究院已實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自主可控和全鏈條自主加工，不僅提升了我國在量子計(jì)算領(lǐng)域的國際競(jìng)爭(zhēng)力，更為南方科技大學(xué)的物理學(xué)科注入了新的活力。該學(xué)科在研究院的支撐下，取得了顯著成果，躋身全國前列。

4  產(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)

然而，量子計(jì)算的道路仍然漫長(zhǎng)且充滿挑戰(zhàn)。盡管研究院取得了一系列里程碑式的成果，但量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)際應(yīng)用仍有一定距離。目前，量子計(jì)算機(jī)仍處于量子霸權(quán)或量子優(yōu)越性階段，即雖能證明在某些特定問題上比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快，但尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

俞大鵬院士深知，量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)是一項(xiàng)世紀(jì)系統(tǒng)工程，挑戰(zhàn)著人類操控微觀世界的極限能力。目前，量子計(jì)算領(lǐng)域存在多種平臺(tái)和技術(shù)路線，但尚無定論哪種將最終勝出。每一條技術(shù)路線都存在著潛在的缺陷和未知風(fēng)險(xiǎn)。前幾年，曾有科技團(tuán)隊(duì)在權(quán)威雜志上發(fā)表文章，聲稱突破了拓?fù)溆?jì)算的短板，但最終因無法復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果而撤稿。

經(jīng)典計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，為量子計(jì)算提供了有益的借鑒。從笨拙到靈敏，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的發(fā)展離不開一代代科學(xué)家的不懈努力和晶體管的發(fā)現(xiàn)。然而，在量子計(jì)算領(lǐng)域，科學(xué)家仍在探索合適的材料和方法。盡管已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但未來仍充滿不確定性。那些看似停滯不前的技術(shù)路線，也可能因某個(gè)突然的發(fā)明而迎來突飛猛進(jìn)的發(fā)展；而那些尚未被發(fā)現(xiàn)的路徑，或許正隱藏著通往量子計(jì)算終極目標(biāo)的鑰匙。

量子計(jì)算的研究者，每一步的探索和發(fā)現(xiàn)，都為量子計(jì)算奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。即使某些嘗試最終證明是行不通的，也是通往成功之路上不可或缺的寶貴經(jīng)驗(yàn)。谷歌量子AI實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人哈特穆特·內(nèi)文曾預(yù)測(cè)，能夠?qū)嶋H應(yīng)用于商業(yè)場(chǎng)景的量子計(jì)算機(jī)在2030年之前可能不會(huì)出現(xiàn)。但科學(xué)家相信，只要堅(jiān)持不懈地努力下去，總有一天能夠揭開量子計(jì)算的神秘面紗。