追溯量子計(jì)算“紀(jì)元”，如何“織就”奇妙的數(shù)字世界？

從圖靈的原始設(shè)想到現(xiàn)代的微型芯片，從最初的巨型大腦到掌中的智能手機(jī)，計(jì)算機(jī)的進(jìn)化史，就是人類智慧的飛躍史。

準(zhǔn)備好了嗎？快按下回車，一起進(jìn)入這個由0和1編織的數(shù)字世界。

從何說起？起源竟來自于這兒

在歷史的長河中，數(shù)學(xué)界的魔術(shù)師阿蘭·圖靈，以他的天才創(chuàng)意，為我們帶來了一臺機(jī)器——圖靈機(jī)。這臺機(jī)器不僅改寫了戰(zhàn)爭的走向，更悄然改變了社會的走向。

圖靈，原本在倫敦富裕家庭長大，14歲那年，他踏入了美國謝伯恩公學(xué)的大門，開始科研之路。歷史的車輪滾滾向前，第二次世界大戰(zhàn)的硝煙，無情地打斷了他的學(xué)術(shù)夢。當(dāng)時，為了取得戰(zhàn)爭的勝利，德國升級了密碼設(shè)備，開始啟用英格爾碼密碼機(jī)——又稱為“啞謎機(jī)”或“謎式密碼機(jī)”，可見其破譯難度之大。

由于德國密碼設(shè)備的嚴(yán)密，面對重要軍情，英國情報機(jī)構(gòu)只能監(jiān)聽到一些茫然不解的信息。美國和法國，也相繼遇到類似的情形。各國逐漸認(rèn)識到事態(tài)的嚴(yán)重性，開始重視英格爾碼的破解工作。

1939年秋，圖靈臨危受命，負(fù)責(zé)破譯英格爾碼密碼機(jī)。“假如把這些技術(shù)放在一起，可以建造什么？”這個問題的答案，在當(dāng)時的別人看來，簡直是“天方夜譚”。

“我們可以建造一臺計(jì)算機(jī)！”在歷經(jīng)無數(shù)個日日夜夜，圖靈和他的團(tuán)隊(duì)成員專門設(shè)計(jì)、建造了一臺機(jī)器，破解德軍的英格爾碼密碼，也就是世界上的第一臺軍用計(jì)算機(jī)——圖靈機(jī)。

后來，圖靈機(jī)在軍事中得到廣泛應(yīng)用。

1941年，英國情報機(jī)關(guān)利用圖靈機(jī)準(zhǔn)確破譯了德軍的一份密電，輕而易舉地得到了世界上最厲害的一艘巨型裝甲戰(zhàn)列艦——“俾斯麥”號的行軍路線，造成德軍如此巨大的損失，圖靈機(jī)功不可沒。

如何而生？生根發(fā)芽能有多快

自從圖靈機(jī)在人類智慧的海洋中激起漣漪，計(jì)算機(jī)的發(fā)展便開始了一段波瀾壯闊的旅程。這股技術(shù)浪潮不僅推動了計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，也為我們帶來了前所未有的計(jì)算能力。隨著時間的推移，傳統(tǒng)的計(jì)算方法逐漸接近其物理極限，而量子計(jì)算的出現(xiàn)，預(yù)示著計(jì)算能力的又一次飛躍。

今天，從量子計(jì)算到量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展也僅是剛過了起步階段。為了實(shí)現(xiàn)在特定問題上的計(jì)算能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)的目標(biāo)，科學(xué)家們認(rèn)識到至少需要約50個量子比特的精準(zhǔn)操控，這是一個極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。

目前，全球僅有4臺量子計(jì)算機(jī)宣布實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，這是一個重要的里程碑，意味著這些計(jì)算機(jī)在某些特定任務(wù)上的表現(xiàn)超越了最強(qiáng)大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。值得驕傲的是，我國的光量子計(jì)算機(jī)“九章”和超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之二號”占據(jù)了其中的兩席。

九章，源于古代數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。這本書成于公元一世紀(jì)左右，總結(jié)了戰(zhàn)國、秦、漢時期的數(shù)學(xué)成就，歷來被尊為算經(jīng)之首。為了紀(jì)念這本書，我們以它的名字命名了“九章”量子計(jì)算機(jī)。

2020年，“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)求解了最高達(dá)76光子的高斯玻色采樣問題，求解速度超越經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)體系的量子計(jì)算優(yōu)越性，使得中國成為全球第二個實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

高斯玻色采樣問題聽起來可能有點(diǎn)復(fù)雜，但讓我們試著用一個簡單的例子來理解它。

假如你在一個巨大的圖書館，需要找到幾本特定的書。在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的幫助下，可能需要一本一本查找，非常耗時。

但有了量子計(jì)算機(jī)，它可以同時檢查整個圖書館的每本書，迅速找到你所需要的。高斯玻色采樣越高，它從大量可能性中篩選出正確的量子態(tài)組合的速度也越快。

以上是對“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)的簡單了解，“祖沖之號”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)地位同樣重要。

“祖沖之號”源于古代數(shù)學(xué)家祖沖之，他以超凡的才能，將圓周率的計(jì)算推向了一個新的高度。

2021年，我們以他的名字命名了一款超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)——“祖沖之號”。這臺量子計(jì)算機(jī)，擁有62個超導(dǎo)量子比特，是當(dāng)時國際上超導(dǎo)量子比特數(shù)目最多的可編程超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，解決一個又一個復(fù)雜的計(jì)算問題。

2021年，我們又迎來了“祖沖之二號”，它的量子比特數(shù)達(dá)到了66比特。

打個比方，量子比特數(shù)達(dá)到66比特，就像是我們的量子計(jì)算機(jī)擁有了一個巨大的并行處理能力，它們可以同時以多種不同的狀態(tài)存在。這意味著它可以一次性處理海量的信息，比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的效率要高出許多。

“九章”和超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之二號”的誕生，讓中國成為全球唯一在超導(dǎo)量子和光量子兩種物理體系上都實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國家，這是多么令人驕傲的成就！

量子計(jì)算迎來發(fā)展新突破

基于量子計(jì)算的潛力和優(yōu)勢，2023年，在中國科學(xué)院量子創(chuàng)新院指導(dǎo)下，國盾量子推出了新一代量子計(jì)算云平臺，接入祖沖之號同等規(guī)模的176比特量子計(jì)算機(jī)。

國盾量子計(jì)算云平臺刷新了我國云平臺的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)比特數(shù)記錄，是首個在超導(dǎo)量子路線上具有實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性潛力且對外開放的量子計(jì)算云平臺，將進(jìn)一步推動量子計(jì)算軟硬件發(fā)展及生態(tài)建設(shè)。

此外，國盾量子協(xié)助中電信量子集團(tuán)“天衍”量子計(jì)算云平臺和中國電信“天翼云”超算平臺進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)“天翼云”超算能力和176量子比特超導(dǎo)量子計(jì)算能力的融合。

上述云平臺都計(jì)劃接入基于“驍鴻”芯片研發(fā)的量子計(jì)算整機(jī)。500+比特量子計(jì)算機(jī)的云端接入，可以高效承載各領(lǐng)域用戶對有實(shí)用價值的問題和算法開展研究，加速量子計(jì)算在實(shí)際場景中的應(yīng)用，引領(lǐng)量子計(jì)算生態(tài)的快速發(fā)展。

可以說，時至今日，我國的量子計(jì)算已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到部分領(lǐng)跑的歷史飛躍。那么，量子計(jì)算的未來如何發(fā)展？

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉回答了這個問題。

“近期3-5年里，我們希望在解決某些特定物理問題或者化學(xué)材料問題中，找到一兩個應(yīng)用的范例。這些問題無法通過超級計(jì)算機(jī)解決，必須通過專用的量子計(jì)算機(jī)或者量子模擬機(jī)解決。在不久的將來，量子計(jì)算會有比較好的進(jìn)展。”

量子計(jì)算的未來充滿無限可能，讓我們拭目以待，一起見證這場科技革命的到來！本文來源于中電信量子