經濟參考報
周以航
2025-01-23 09:03
證券時報記者 余勝良
在科技日新月異的今天，量子計算這一前沿領域每隔一段時間就會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105個“量子比特”，這一成就再次刷新了人們對量子計算的認知。幾乎與此同時，由中國科學家研制的同樣擁有105個量子比特的“祖沖之三號”量子計算機也在學術預發布平臺arXiv上發表了研究成果。中美兩國在量子計算領域的競爭，呈現出你追我趕的激烈態勢。
盡管量子計算機距離真正實用化還有很長的路要走，但無數科學家已經投身其中，致力于讓這一夢想成為現實。其中，中國科學院院士、深圳國際量子研究院院長、南方科技大學講席教授俞大鵬便是其中的佼佼者。他早年研究納米技術，近年來則領導成立了深圳國際量子研究院，帶領眾多青年才俊在量子計算領域向前突破。
近日，證券時報記者對俞大鵬院士進行了專訪，就量子計算的相關問題進行了深入探討。俞大鵬感嘆，量子計算機是人類挑戰操控微觀世界極限能力的世紀系統工程，其復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家在20世紀初共同創立的。德國物理學家普朗克在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，共同揭示了量子現象的奧秘。在20世紀的前半期，一個完整的量子力學理論框架逐漸建立起來。
量子運動具有非連續性、不可分割性，以及疊加和糾纏等特性。其中，疊加態是指一個量子系統可以同時處于多個狀態之中，而糾纏態則是指兩個或多個量子系統之間存在一種神秘的關聯，使得它們的狀態無法被單獨描述。這些特性使得量子世界充滿了奇妙和神秘色彩。
對于量子狀態的最著名描述來自于薛定諤的貓實驗。在這個實驗中，一只貓可以同時處于生與死的疊加狀態。但當我們打開籠子觀察時，貓就會“坍縮”到生或者死這一種確定的狀態。這種奇特的現象讓人難以理解，甚至像愛因斯坦這樣的科學巨匠也感到費解。他曾經說過：“上帝為什么會擲骰子呢？”這句話表達了他對量子世界不確定性的困惑。
薛定諤本人在量子力學上取得了卓越的成就，但他同時也是一個懷疑者。他提出的“薛定諤的貓”這一例子，原本是對量子現象的一種質疑和反思，但后來卻成為了普通人了解量子理論的一個重要通道。
這些偉大的物理學家自幼學習的是經典物理學，他們認為世界是可知的、確定的、可描述的。然而，當他們踏入微觀世界的大門時，卻發現了一個全新的、充滿挑戰的未知世界。他們不斷地解釋各種現象，提出各種天才的公式和理論，不斷地顛覆自己的認知。
正是在這樣的背景下，量子計算機的概念應運而生。1982年，理查德·費曼首次提出了量子計算機的概念。他認為，量子計算機可以通過模擬量子力學現象來解決某些經典計算機難以處理的問題。這一想法為計算機科學的發展開辟了一條全新的道路。
2 算法與實現
經典計算機是基于電流的開關來進行運算的。通過一開一關的組合，計算機可以實現復雜的運算功能。這種運算方式可以用簡單的代碼簡化為1和0的組合，原理簡單易懂。
量子計算機以量子比特為基本運算單元。與經典比特不同，量子比特利用的是量子世界的疊加規律。這意味著一個量子比特可以同時處于0和1之間的任何兩個狀態的疊加態中，只是概率大小不同而已。這種疊加態的特性使得量子計算機能夠同時處理多個任務，大大提高了運算效率。
為了更直觀地解釋量子計算的威力，俞大鵬院士喜歡用迷宮來作比喻。他說：“如果我們派100個人走一個特別復雜的迷宮，每個人相當于一個經典比特。這100個人不允許帶手機交流，只能試錯前進。最后這100個人全部從出口出來，這相當于他們各自獨立完成了自己的任務，互相之間沒有糾纏和干擾。但如果我們用量子計算機派出100個量子比特去走這個迷宮呢？它們會構筑一個2的100次方的線波特態空間。這相當于孫悟空拔出一根毫毛變出了2的100次方個猴子，每個猴子都能同時去探路。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算的過程。這就是量子計算機無與倫比的計算模式優勢。”
經典計算機是通過串聯的方式逐個解決問題的，而量子計算機則是通過并聯的方式同時處理多個問題的。這種差異使得量子計算機在處理某些特定問題時具有巨大的優勢。
為了實現計算，科學家們構建了許多工具來計算和描述量子的狀態。比如將量子的狀態想象為一個布洛赫球，使用傅里葉變換算法來計算其某個狀態的概率。
在量子計算中，常見的量子門有Hadamard門、CNOT門和Pauli-X門等。這些量子門相當于經典計算機中的邏輯門，用于對量子比特進行操作和運算。通過組合這些量子門，科學家可以構建出各種復雜的量子算法來解決實際問題。Shor算法是量子計算領域的一個重要突破。此外，美國計算機科學家格羅弗在1996年提出了量子搜索算法（Grover算法）。
目前，量子計算機的技術路線有多種，包括超導量子、離子阱、光量子、中性原子、硅自旋以及拓撲技術路線等。其中，超導量子計算是主流之一，目前全球范圍內走超導路線的量子計算機占比高達42%。
超導量子比特芯片加工工藝與半導體行業微納加工工藝相似，具有器件結構尺寸較大、成品率高、耦合容易且形式靈活多樣、可擴展性高以及操控速度快等優勢。這些優勢使得超導量子計算成為最有可能實現通用量子計算的路線之一。
3 依賴高精設備
科學家們在量子計算領域的不懈努力，旨在實現量子的精確控制，使其進入并維持在量子態，以便進行高效的計算操作。然而，量子控制的難度之大，遠非傳統技術所能比擬。盡管早在1999年，超導量子計算機的概念就已提出，但將其從理論轉化為實際工程應用，仍需跨越重重難關。
俞大鵬上世紀90年代便對量子計算產生濃厚興趣，認為“量子計算，無疑是科學界的貴族領域”。他坦言，“它不僅需要高精尖的設備支持，更需投入巨額資金。當時，國內具備這樣條件的單位屈指可數，北大、清華等少數名校方才有此實力。”量子計算的核心，在于對量子態的精準操控，而非簡單的原子層面操作。因此，高精尖的設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控的技藝。納米結構中的量子效應，為他的研究提供了寶貴的經驗。通過對納米線施加電、磁、熱、光等多種外部刺激，他深入探究了量子態的性質及其調控規律。這些技術，不僅為納米材料的研究開辟了新徑，更為后續的量子計算研究奠定基礎。
2016年，俞大鵬院士攜手南方科技大學與深圳當地政府，共同創立了深圳量子研究院。在歷經多次選址后，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，面對量子計算可能遭遇的技術封鎖，俞大鵬院士著手布局支撐我國量子計算的根技術和核心工具，其中電子束光刻機尤為關鍵。作為加工量子芯片和量子器件的核心設備，電子束光刻機的自主研發對于我國量子計算的發展至關重要。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現了電子束光刻機的國產替代和自主可控，為國內多家科研機構提供了緊急支持，實現了從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——研發制冷機。對于超導量子計算而言，低溫環境是維持量子態穩定的關鍵。稀釋制冷機能夠制造出接近絕對零度的極端低溫環境，為量子計算提供了必要的保障。目前，該制冷機已實現小批量生產，并取得了技術上的重大突破。
如今，深圳國際量子研究院已實現了設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算領域的國際競爭力，更為南方科技大學的物理學科注入了新的活力。該學科在研究院的支撐下，取得了顯著成果，躋身全國前列。
4 產業化的挑戰
然而，量子計算的道路仍然漫長且充滿挑戰。盡管研究院取得了一系列里程碑式的成果，但量子計算機距離實際應用仍有一定距離。目前，量子計算機仍處于量子霸權或量子優越性階段，即雖能證明在某些特定問題上比傳統計算機更快，但尚未實現實際應用價值。
俞大鵬院士深知，量子計算機的研發是一項世紀系統工程，挑戰著人類操控微觀世界的極限能力。目前，量子計算領域存在多種平臺和技術路線，但尚無定論哪種將最終勝出。每一條技術路線都存在著潛在的缺陷和未知風險。前幾年，曾有科技團隊在權威雜志上發表文章，聲稱突破了拓撲計算的短板，但最終因無法復現實驗結果而撤稿。
經典計算機的發展歷程，為量子計算提供了有益的借鑒。從笨拙到靈敏，經典計算機的發展離不開一代代科學家的不懈努力和晶體管的發現。然而，在量子計算領域，科學家仍在探索合適的材料和方法。盡管已經取得了一些進展，但未來仍充滿不確定性。那些看似停滯不前的技術路線，也可能因某個突然的發明而迎來突飛猛進的發展；而那些尚未被發現的路徑，或許正隱藏著通往量子計算終極目標的鑰匙。
量子計算的研究者，每一步的探索和發現，都為量子計算奠定堅實的基礎。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驗。谷歌量子AI實驗室負責人哈特穆特·內文曾預測，能夠實際應用于商業場景的量子計算機在2030年之前可能不會出現。但科學家相信，只要堅持不懈地努力下去，總有一天能夠揭開量子計算的神秘面紗。
