中国具备量子计算机交付能力：量子计算机是什么

近年来，量子计算机的发展有了很大的进步，从实验室的小型实验机到工业量子计算机，量子计算机的硬件和软件都有了很大的进步。这次小编给大家整理了中国具备量子计算机交付能力，供大家阅读参考。

中国具备量子计算机交付能力

在最近上映的科幻电影《流浪地球2》中，有一被誉为“全场最有价值道具”的最高算力的智能量子计算机MOSS贯穿全局，它可以满足数万座发动机协同运作，并支撑“数字生命”计划所需算力。现实中量子计算机并非科幻，1月28日，记者从安徽省量子计算工程研究中心获悉，合肥本源量子已研发出多台中国量子计算机，并成功交付一台量子计算机给用户使用。

据悉，该量子计算机的成功交付使我国成为世界上第三个具备量子计算机整机交付能力的国家。这是我国继实现“量子优越性”之后，又一次确立了在国际量子计算研究领域的领先地位。

量子计算机到底有多厉害

虽然量子计算机体积大、携带不方便，但是它在求解某类特定问题上具有巨大的优势。一直以来，经典计算机的运行主要依赖非“0”即“1”的比特信息(即二进制)，而量子计算机运行依赖的却是“量子比特”。那么，从“二进制”到“量子比特”，计算机到底有怎样的进步?

早期经典的计算机只能用“0”和“1”来记录所有的信息状态，每一步只能进行2的1次方，即2次运算;而量子计算机是用量子状态来描述信息，它拥有更快速的运算方式。比如2个量子态(也可以称作“2个比特”)的量子计算机，每一步可进行2的2次方，即4次运算，3个量子态的量子计算机，每一步可以对信息进行2的3次方，即8次运算。

量子计算机是什么

量子计算机是基于量子力学原理构建的计算机。量子态叠加原理使得量子计算机每个量子比特(qubit)能够同时表示二进制中的0和1，从而相较经典计算机算力发生爆发式增长，形成“量子优越性”。CPU[ 中央处理器(Central Processing Unit)，简称CPU，包含运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等，并具有处理指令、执行操作、控制时间、处理数据等功能。]算力随比特数n的增长呈线性n增长，GPU[ GPU(图形处理器)，全称Graphics Processing Unit，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片或绘图芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上运行绘图运算工作的微处理器。]算力随比特数n的增长呈平方次n×n增长，而QPU算力随比特数n的增长呈幂指数2n增长。

经典计算机使用晶体管作为计算机的功能单位，以晶体管的开闭状态分别表示0和1。由于量子态叠加原理能够同时表示0和1，而量子计算机正好使用两态量子系统，如电子的自旋、光的偏振等作为量子比特。量子比特较经典比特具有更多信息，且呈幂指数级别增加。以4位的计算机为例，1台4位经典计算机一次表示1种状态，1台4位量子计算机一次表示16种状态，则1台n位经典计算机一次表示1种状态，1台n位量子计算机一次表示2n种状态。理论上，1台n位的量子计算机算力等于2n台n位的经典计算机算力。

量子计算机通过量子门对量子进行操作。类似于经典计算中基本的与门、或门、非门，量子计算中基本的量子门有阿达马门、受控非门等。根据量子力学，量子系统在经过“测量”之后就会坍缩为经典状态。同样，量子计算机在经过量子算法运算后每一次测量都会得到唯一确定的结果，且每一次结果都有可能不相同。虽然量子计算机每一次的测量结果都类似“上帝掷骰子”会发生不同，但只要量子算法设计合理，量子计算机运算结果中出现概率最大的结果就是正确结果。

量子计算机还处在早期发展阶段。类比经典计算机，量子计算机还处在经典计算机的电子管时代，最底层的物理载体还没有完全形成。目前主流的技术路径有超导、半导、离子阱、光学以及量子拓扑这五个方向(图1)。前四种路径均已制作出物理原型机，但量子拓扑尚无物理层面的实现。超导表现为无电阻电流沿回路来回震荡，注入的微波信号使电流兴奋，让它进入叠加态;半导是通过向纯硅加入电子造出了人造原子，微波控制着电子的量子态。离子阱表现为离子的量子能取决于电子的位置，使用精心调整的激光可以冷却并困住这些离子，使它们进入叠加态;光学是利用激光激发量子点产生单光子，通过开关分成多路，再通过光纤导入主体设备光学量子网络，最后利用单管子探测器探测结果。量子拓扑表现为电子通过半导体结构时会出现准粒子，它们的交叉路径可以用来编写量子信息。目前进展最快最好的是超导方向。原因是不仅人类希望借助现有非常先进的技术促进量子计算发展，包括半导体集成、电路工艺和技术。还有超导路径的优势是可扩展性非常强，固态器件、电学方向能够使未来的量子计算与经典的计算机相兼容、融合。未来技术更加成熟之后，将持续发力离子阱和量子拓扑这两个方向。

量子计算机将经历三个发展阶段。第一阶段是量子计算机原型机。原型机的比特数较少，信息功能不强，应用有限，但“五脏俱全”，是地地道道地按照量子力学规律运行的量子处理器，IBM Q System One就是这类量子计算机原型机。第二阶段是量子霸权。“量子霸权”实际上是指在某些特定的问题上量子计算机的计算能力超越了任何经典计算机。量子比特数在50∼100左右，其运算能力超过任何经典的电子计算机。但未采用“纠错容错”技术来确保其量子相干性，因此只能处理在其相干时间内能完成的那类问题，故又称为专用量子计算机。这种机器实质是中等规模带噪声量子计算机(NISQ)。目前采用的特定问题是量子随机线路的问题或玻色取样问题，这些问题仅是Toy(玩具)模型，并未发现它们的实际应用。尽管量子计算机已迈进到“量子霸权”阶段，但在中等规模带噪声量子计算(NISQ)时代面临的核心问题是探索这种专门机的实际用途，并进一步体现量子计算的优越性。第三阶段是通用量子计算机。这是终极目标，用来解决任何可解的问题，可在各领域获得广泛应用。通用量子计算机的实现必须满足两个基本条件，一是量子比特数要达到几万到几百万量级，二是应采用“纠错容错”技术。