“祖冲之号”又“上新”，量子计算机未来已来？

1秒钟能干什么？不过是眨眼间的工夫，但1秒钟，量子计算机可以完成经典计算机需要100年才能破译的密码。

前不久，我国自研超导量子计算机“祖冲之三号”问世。中国科学技术大学潘建伟院士团队在预印本平台arXiv上发布“祖冲之三号”相关成果。

据介绍，这款量子计算机具备105个量子比特，超过谷歌于2024年10月发表于《自然》期刊的最新进展——72比特“悬铃木”处理器6个数量级。有网友表示：也许祖冲之本人来了，都无法想到，未来的计算能力能够如此强大。

图源：arXiv平台网站截图

近年来，量子计算的新闻不断刷屏，量子计算机的突破，让人们对未来计算场景逐渐清晰。然而，对于大多数人而言，量子计算机依然是不明觉厉的存在。

量子计算机和经典计算机有什么区别？“祖冲之三号”此次有哪些新的技术突破？量子计算机未来的应用场景在何方？针对这些话题，潮新闻记者专访了长期从事新型量子物态研究的天目山实验室副主任周苗。

遇事不决，量子力学

比超级计算机快百万亿倍的量子计算，被称为“未来100年内最重要的计算机技术。为什么量子计算机能如此高效地完成任务，需要先理解背后的原理。

所谓量子，是指构成物质的最基本单元。人们所熟知的分子、原子、电子等微观粒子，都是量子的一种表现形态，而量子比特（qubit）是量子计算机的基本信息单元。

二维超导量子比特芯片示意图, 每个橘色十字代表一个量子比特。 图源：新华社客户端

“就像人们用字母组成单词来表达信息一样，量子计算机用量子比特来存储和处理信息。”周苗表示，量子计算机拥有计算能力，离不开量子比特具有“量子叠加”的特性。

“遇事不决，量子力学。”周苗进一步解释道，当你犹豫不决，对事物似是而非的时候，就感觉像是量子叠加的状态。

想要进一步理解“量子叠加”，就不得不提及著名量子物理学家薛定谔的那只“既死又活”的猫。在经典的世界中，猫“非死即活”，但量子的猫可以处于“既死又活”的状态。

量子计算机利用量子叠加态原理　图源：《量子计算与编程入门》

具体而言，经典计算机在运算时，只能是0和1，但量子计算机利用量子力学原理，每个量子比特拥有0和1同时存在的能力，这使得它可以实现同步计算。“就像孙悟空拥有‘分身术’，可以变出成千上万个分身，同时完成一件事情。”周苗打比方道。

想象一下，当要你在一个图书馆里找某一本书，经典计算机只能站在一个书架前，一本本寻找，量子计算机可以同时出现在每一个书架前，查看所有的书。两者效率不言而喻。

实现目前超导量子计算最强优越性

在衡量量子计算机算力时，科学家会反复提及一个术语“量子优越性”，是指在某个特定问题上，量子计算机的计算能力远超传统计算机。

2021年5月，潘建伟院士团队成功研制出62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，成为中国第一个超导量子原型计算器。同年10月，该团队构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”。

近日，潘建伟院士团队在预印本平台arXiv上发布“祖冲之三号”相关成果。据介绍，“祖冲之三号”的量子比特数提升至105个，为目前超导量子计算的最强优越性。

“祖冲之三号”超导量子计算芯片示意图 图源：论文截图

周苗认为，量子比特数的增加，使“祖冲之三号”计算能力在理论上有了显著的拓展，能过够处理更为复杂的量子计算任务，为探索更大规模的量子算法和应用提供了可能。

达到“量子优越性”里程碑之后，当前量子计算研究的重点任务之一是突破纠错技术。

周苗表示，量子系统也非常脆弱，在运算过程中，量子比特不可避免地会出现错误。这个时候就需要能够及时地去实时监测它发生了什么错误，并且及时修正，这个过程就称之为“量子纠错”。

“表面码”是实现量子纠错的方案之一。2022年，中国科学家首先在“祖冲之二号”超导量子处理器上实现了码距为3的表面码量子纠错，首次验证了表面码方案的可行性。

据悉，中国科学技术大学超导量子团队正在基于“祖冲之三号”处理器开展相关工作，计划在数月内实现码距为7的表面码逻辑比特，并进一步将码距扩展到9和11，为实现大规模量子比特的集成和操纵铺平道路。

未来有望在医药、交通等领域应用

人们对量子计算机充满期待，主要是因为经典计算机在发展过程中遇到了功耗瓶颈、通信瓶颈等一系列问题，导致性能增长变得越来越困难。

在这种背景下，探索基于全新物理原理的高性能计算技术变得尤为重要。

“量子计算机基于量子力学原理，不依赖于电流来传输信息，因此理论上不会出现经典计算机运行慢、发热等现象。”周苗提到，未来，如果能够充分利用量子计算机的计算能力，科学家或许能够提高计算效率，从而减少经典计算机的能耗。

超导量子计算机 图源：新华社客户端

在未来，量子计算机会取代经典计算机吗？

“量子计算机和经典计算机的区别，更像是激光和白炽灯。人们不会用激光代替白炽灯照明，但激光在高科技领域发挥着巨大作用。”周苗说道。

“可预见的将来，量子计算机并不会代替人们桌上的电脑或者口袋的手机，而是优先在一些特殊用途和复杂科学问题上‘生根发芽’。”

那么，相对于普通人而言，未来量子计算机的应用场景有哪些？

周苗认为，量子计算机在医药、交通、人工智能、材料研究等方面，有望提供更强的算力支持。

例如气象预测上，量子计算机能够更有效地模拟和预测复杂的气候变化，为人们预留足够时间应对。

在交通物流上，量子计算机凭借其高速计算能力，可有效加速人工智能模型的训练和推理过程，解决拥堵预测、交通流量管理、路径规划等问题。

在材料研究中，研究人员可以利用量子计算机，模拟材料的元素排列组合，加速新材料研发。