當超導(dǎo)遇到量子 ：“遇事不決 量子力學”的時代到來了？

　　你還記嗎?我們在前兩篇文章中介紹了超導(dǎo)量子計算及其糾錯方案。

　　超導(dǎo)量子計算是一種基于超導(dǎo)現(xiàn)象和集成電路工藝的運算方案，作為現(xiàn)今主流的量子計算方案之一，不僅可以與現(xiàn)今的集成電路工藝相兼容，從而可以制備出大量的量子比特，還具有良好的可操縱性和靈活性，能夠進一步應(yīng)用于不同場景下的科學研究。

　　屏幕前的小伙伴一定想知道，如此先進的超導(dǎo)量子計算，在現(xiàn)實世界中是否已經(jīng)得到了應(yīng)用呢?

　　當夢想照進現(xiàn)實——“狂飆”的超導(dǎo)量子計算

　　從上世紀90年代開始，國際上領(lǐng)先的高科技公司就開始投入到對量子計算機的研發(fā)中，并且積極探索超導(dǎo)量子計算的實現(xiàn)方案。目前，量子計算機仍然處于從實驗室的研發(fā)向企業(yè)產(chǎn)品化的發(fā)展階段，其中，在量子計算的賽道上一路“狂飆”的技術(shù)路線，當屬超導(dǎo)量子計算方案。

　　在2019年，來自谷歌的量子人工智能研究團隊就研制出具有53個超導(dǎo)量子比特的量子計算機，并且展現(xiàn)出強大的運算能力。在針對某個特定復(fù)雜計算任務(wù)的求解上，該款超導(dǎo)量子計算機只需要200秒就可以成功完成任務(wù)。而如果采用當年世界上排名第一的超級計算機進行求解，則需要長達一萬年才能實現(xiàn)。

　　谷歌公司發(fā)布的超導(dǎo)量子計算機

　　(圖片來源：Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor – Google AI Blog )

　　而就在2023年2月，該研究團隊將原本只有53個量子比特的超導(dǎo)量子計算系統(tǒng)進一步升級，擴展至72個量子比特，并且成功驗證了量子糾錯方案的可行性。這也就意味著，人們距離未來真正實用化的量子計算機更近了一步，從而展示出量子計算機未來的巨大發(fā)展?jié)撃堋?/p>

　　值得一提的是，來自中國的量子技術(shù)團隊也在超導(dǎo)量子計算領(lǐng)域，接連取得了可喜的成果。就在2021年，來自中國科學技術(shù)大學的研究團隊主導(dǎo)構(gòu)建了屬于我們自己的超導(dǎo)量子計算機——“祖沖之二號”。該款超導(dǎo)量子計算機的量子比特數(shù)目達到66個，并且在運算速度方面比2019年谷歌發(fā)布的系統(tǒng)快接近一萬倍，從而在國際量子信息的競爭中占有一席之地。

　　祖沖之二號(圖片來源：安徽日報)

　　而就在2023年3月，來自南方科技大學、清華大學和福州大學的聯(lián)合實驗團隊，也在基于超導(dǎo)量子計算的量子糾錯領(lǐng)域取得突破性進展。該研究團隊利用實時重復(fù)的量子糾錯技術(shù)，在國際上首次降低了量子比特的錯誤率，從而延長了量子比特的存儲時間，相關(guān)科研成果發(fā)表在國際頂尖的學術(shù)期刊《Nature》上。

　　(圖片來源：Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit, Nature)

　　量子計算的“三步走”戰(zhàn)略——腳踏實地，未來可期

　　雖然量子計算的發(fā)展十分迅速，但需要提醒大家的是，量子計算機仍然處于十分初始的階段。

　　目前主流的觀點認為，要實現(xiàn)真正實用化的量子計算機，需要至少經(jīng)過三個發(fā)展階段，分別為：量子計算的可行性論證，消除外界干擾進行量子計算，以及具有商業(yè)價值的實際量子計算應(yīng)用。

　　為了逐步實現(xiàn)量子計算的發(fā)展目標，科學家們也相應(yīng)地提出“三步走”戰(zhàn)略，即：驗證量子計算的優(yōu)越性、在噪聲環(huán)境下的中等規(guī)模量子計算(NISQ)，以及可以通用化的量子計算。

　　量子計算機的“三步走”戰(zhàn)略：綠色區(qū)域代表下一步的NISQ，灰色區(qū)域代表第三步的容錯量子計算。

　　(圖片來源：Quantum advantage, or a practical demonstration that quantum computers work | by Przemek Chojecki | Towards Data Science)

　　當前，人類已經(jīng)完成“三步走”戰(zhàn)略中的第一步——驗證量子計算的優(yōu)越性。這個標志性的事件就是谷歌團隊于2019年公布的超導(dǎo)量子計算機。

　　該款量子計算機展現(xiàn)了遠超經(jīng)典計算機的超強算力，因此人類已經(jīng)證明了量子計算有自身獨特的優(yōu)越性。

　　目前，科學家們正在努力實現(xiàn)“三步走”戰(zhàn)略中的第二步——在噪聲環(huán)境下的中等規(guī)模量子計算(NISQ)。

　　這是因為，量子計算機在運算過程中非常容易受到外界環(huán)境的干擾，從而在量子計算的實際運算中出現(xiàn)一定的錯誤率，而這種干擾也被稱為“噪聲”。

　　為了降低噪聲環(huán)境下量子計算的錯誤率，這就需要進行量子糾錯，從而順利地完成運算任務(wù)。

　　這一步同樣是谷歌的研究團隊實現(xiàn)了突破，我們在前一篇文章中已經(jīng)詳細介紹了他們基于超導(dǎo)量子系統(tǒng)，成功驗證了量子糾錯方案的可行性。

　　這標志著人類已經(jīng)在量子糾錯領(lǐng)域邁出了堅實的一步，從而沿著“三步走”戰(zhàn)略繼續(xù)穩(wěn)步前行。

　　而“三步走”戰(zhàn)略中的最后一步，也是我們的最終目標——可以實現(xiàn)通用化的量子計算。

　　在可預(yù)見的將來，我們在完成“三步走”戰(zhàn)略之后，量子計算機將不僅僅可以用于特定算法問題的求解，還可以幫助人們完成從新型藥物分子的研發(fā)到核聚變反應(yīng)過程計算等，從而展現(xiàn)出潛力巨大的商業(yè)價值。

　　結(jié)語

　　雖然量子計算機距離真正實用化還有很長的一段路要走，并且在形態(tài)和功能上仍然比較初級。但是，很多這個領(lǐng)域的科學家會想到1946年誕生的第一臺計算機ENIAC——它占地面積高達170平方米，重達30噸。

　　盡管當初ENIAC龐大到占據(jù)整個房間，但是它開啟了人類信息時代的大幕，從而深刻地改變了人類的生產(chǎn)和生活方式。因此，我們有理由相信，隨著量子計算技術(shù)的不斷突破，量子時代也將進一步改變?nèi)祟愄幚硇畔⒌姆绞�，而新時代的大幕現(xiàn)在正在悄然拉開。