科技日报|拥有终极计算能力的量子计算机，离市场应用还有多远？
【科技日报|拥有终极计算能力的量子计算机，离市场应用还有多远？】 ◎ 科技日报采访人员 吴长锋
9月12日 ， 合肥本源量子计算科技有限责任公司自主研发的超导量子计算云平台正式上线 ， 本源量子公司董事长孔伟成表示 ， 基于本源量子自主研发的超导量子计算机——悟源将面向全球用户提供真实的量子计算服务 。 这也是国内率先实现工程化的超导量子计算机 。
超越经典计算的突破路径
从1900年 ， 德国物理学家普朗克提出量子概念 ， 到量子力学20世纪初逐步得到确立 ， 不同于经典力学的漫长应用过程 ， 量子力学转化为真正的社会技术进程明显较快 。
“量子计算应用发展速度也越来越快 ， 量子计算全面爆发的时代或许很快就要到来 。 ” 本源量子公司董事长孔伟成博士告诉科技日报采访人员 ， 量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式 ， 它与现有的经典计算模式完全不同 。 经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算 ， 而二进制总是处于0或1的确定状态 。 量子计算借助量子力学的叠加特性 ， 能够实现计算状态的叠加 。 它不仅包含0和1 ， 还包含0和1同时存在的叠加态 。
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资料图 。 图源：视觉中国
“简单来说 ， 量子计算机就是使用量子器件制造 ， 利用量子的叠加与纠缠特性 ， 运行量子算法与量子软件的新型计算设备 。 在处理某些特定问题上 ， 相对于经典计算机具有指数级别的计算速度优势 。 ”孔伟成说 。
“量子计算是人类下一代信息技术的主要突破方向 。 ”孔伟成告诉采访人员 ， 随着人类对于计算机算力需求的不断提升 ， 伴随着“摩尔定律” ， 半导体芯片的制程也在快速缩小 。 目前已经达到了5纳米的尺度 。
“5纳米大小只相当于40个硅原子 ， 如果硅基半导体器件继续缩小至1纳米级 ， 那就意味着我们已经从‘经典物理学’深入到了‘量子物理学’领域 。 ”孔伟成说 ， 在这样的情境下 ， 量变已经带来了质变——量子隧穿效应不可避免 。 “我们无法再通过PN结控制电路通断来实现逻辑 ， 也就意味着摩尔定律即将走向终结 。 所以 ， 大规模集成电路为基础的经典计算机到此便是终点 。 研发量子计算机 ， 也就成为了帮助人类继续提升计算能力的新方向 。 ”
快来“尝鲜”中国量子计算服务
“我们刚刚发布的本源量子云 ， 为用户提供了基于真实超导量子计算机的量子计算运行环境 ， 用户可以使用云平台在线开发、运行量子程序 。 ”孔伟成告诉采访人员 ， 本源量子云可面向全世界用户提供包括开发量子程序、运行体验典型量子应用、复杂网络排序、用户偏好行为预测应用等方面的应用服务 。
利用开发量子程序服务 ， 用户可使用图形化界面编程与QPanda、Jupyterlab编程工具 ， 分别适用科普与入门用户和于专业开发者 。 用户编写好的量子程序由云平台发送到后端的真实量子计算机运行 ， 并返回结果 。
在本源量子云上运行体验典型量子应用 ， 能够让用户更好地理解、使用本源超导量子计算云平台 。 本源量子推出了复杂网络排序应用、手写数字识别应用、用户偏好行为预测应用等三款典型的量子计算编程应用 。
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资料图 。 图源：视觉中国
“这三款应用基于目前成熟的量子算法 ， 都是由本源量子团队使用自主研发的量子编程框架QPanda与量子编程语言QRunes开发的 。 ”孔伟成告诉采访人员 ， 复杂网络排序应用可对给定的网络进行建模 ， 这一功能将为预测病毒的下一个传播点提供重要参考 ， 帮助各地更为高效地分配防疫物资与医疗资源 。 手写数字识别应用在AI领域占有举足轻重的分量 ， 为后续量子算法加速计算机视觉量子化处理提供了可能 。 用户偏好行为预测应用则基于量子机器学习框架实现量子关联规则数据挖掘算法 ， 将用户数据编码到量子叠加态上 ， 并基于此给出用户偏好预测 ， 相较于经典算法可以达到指数级的加速效果 。 “这个应用的实现为未来量子推荐系统实现和落地打下了基础 。 ”孔伟成说 。
为实现中国的“量子霸权”稳步前行
目前最快的超级计算机运算能达到每秒执行5亿亿次指令 ， 这个速度快的可怕吧 ， 不过有了量子计算机后 ， 足够让你怀疑人生 。
之前有媒体报道称‘量子之下无密码’ ， 国外曾使用量子计算机8小时暴力破解史上最安全加密算法RSA-2048 ， 这说明量子计算机具有破解一切加密信息的能力！如果你在新闻中看到有人成功制造出了量子计算机的话 ， 你最好立刻冻结自己的信用卡 。 因为 ， 当你在网上购物时 ， 目前所有保护你的信用卡信息的方法将会在一瞬间被量子计算机攻破 。
“量子计算利用量子力学的叠加与纠缠特性 ， 配合专用的量子算法 ， 在处理某些特定问题上相对于经典计算机具有指数级别的加速作用 。 从目前的研究来看 ， 未来量子计算机有望在密码破解、化学分子模拟、金融工程、人工智能等领域发挥重大作用 。 ”孔伟成说 。
“虽然量子计算机前景远大 ， 可是落地应用依旧长路漫漫 ， ”孔伟成解释说 ， 本源量子自主研发的6比特超导量子芯片 ， 通过“量子数据总线”来实现6个超导量子比特的任意两两相互耦合 。 利用精确设计的脉冲序列 ， 可以实现高保真度的量子逻辑门操作 ， 进而能够设计并演示量子算法 。 该处理器运行、操控、读取功能稳定 ， 保真度、相干时间等多项技术指标达到国际先进水平 。
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6比特超导量子芯片 夸父KF C6-130示意图
“实际上 ， 影响量子芯片性能的不只是比特数目这一指标 ， 还包括保真度、退相干时间等 。 ”孔伟成告诉采访人员 ， 未来 ， 本源量子研发的24比特量子处理器 ， 将采用更加先进的超导空气桥（Air Bridge）架构 ， 支持演示中小规模的量子算法 。 结合本源量子最新发布的32比特量子计算机控制系统 ， 本源量子预计将在2021年底推出第二代60比特的悟源超导量子计算机 ， 力争3到5年内实现中国的“量子霸权” 。
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24比特超导量子芯片 夸父KF C6-130示意图
来源：科技日报文中图片除标注外均由作者提供
编辑：宋慈（实习）、岳靓
审核：管晶晶
终审：冷文生
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