量子計算，不只看量子比特數

lameihua

　　在熱門科幻劇《黑鏡》的最新第六季第一集《瓊很糟糕》中，量子計算機再次成為了一個隱藏幕后的重要“角色”?！董偤茉愀狻分v述的是職場人士瓊的每一天，都會在次日的流媒體劇集中出現（下面描述會有少量劇透），這一點倒是類似《楚門的世界》中楚門的日常被實時直播。

　　不同點在于，劇集中瓊發現自己被拍成劇集之后，感到隱私受侵犯，于是瓊設法聯系到扮演自己的演員——但最后兩人卻發現，自己并不處于真實世界，而是處于一個量子計算機分子級別模擬出來的世界。甚至瓊也只是對真實世界中瓊的扮演，這是一個層層嵌套的宇宙，瓊只是在第二層宇宙里飾演瓊，侵犯自己隱私的劇集是第三層宇宙的瓊，甚至還有人飾演第四層宇宙的瓊。

　　具體劇情不再贅述，但這個層層精細模擬、甚至具備自主意識的虛擬世界，用量子計算機作為其“創世主”的角色，也確實符合人們的想象。因為這個嵌套宇宙所需要的計算量，幾乎是無限的，經典計算不可能實現。

　　在現實世界中，量子計算的進展確實有了加快的跡象。國外，IBM首次驗證100+量子比特無需糾錯依然可取得精確結果的研究登上了6月15日的Nature封面；國內，華翊量子、啟科量子等企業的離子阱量子計算機也紛紛亮相。

　　IBM Quantum副總裁Jay Gambetta就表示，“（量子計算上）我們已經達到實用的時代”。

　　量子計算是利用量子力學定律來解決對經典計算機來說過于復雜的問題。理解量子計算，也得初步了解量子力學。

　　中國人對于量子力學的認識與量子學說的提出間隔并不久，1923年，羅家倫在美國哥倫比亞大學完成的《科學與玄學》一書中，就提到“量子說將來的重要，恐將駕相對論而上之?！?br />
　　20世紀20年代以來，量子力學由初創轉向縱深發展：1927年馮·諾依曼和希爾伯特、諾戴姆聯名發表了論文《量子力學基礎》，將經典力學中的精確函數關系用概率關系更替。1930年，狄拉克出版《量子力學原理》，給出了量子力學的統一數學表述形式。1932年，馮·諾依曼出版了《量子力學的數學基礎》，彌補了狄拉克的不足，并發展了希爾伯特算子理論。1981，諾貝爾物理學獎得主費恩曼更是在一篇論文中首次提出量子計算機（Quantum Computer）的概念。

　　諾貝爾獎得主李政道就曾說過：“如果沒有狹義相對論和量子力學的誕生，就不會有后來的原子結構、分子物理、核能、激光、半導體、超導體、超級計算機等一切科學文化的發展?！?br />
　　為什么我們需要量子計算機？因為對于某些復雜性問題，經典計算機的表現并不那么出色。

　　復雜問題是許多變量以復雜方式相互作用，計算量級往往指數級上升，比如對分子中單個原子的行為進行建模，在全球航運網絡中為成千上萬艘輪船挑選理想航線等問題。據中科院院士潘建偉透露，在求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，富岳超級計算機需6億年，而2020年發布的九章一號量子計算機只需200秒。

　　九章是光量子技術路線，此外中科院的祖沖之號則采用了超導量子技術路線。當前，全球的量子計算研發中，光量子、超導以及離子阱、半導體等多種技術路線并行。如國內華翊量子、啟科量子，國外IonQ、Quantinuum、Oxford Ionics等企業采用的就是離子阱技術路線。

　　量子計算距離落地實用，到底還有多遠？不同技術路線各具怎樣的優勢？離子阱技術路線的特殊性又表現在哪里？

　　01

　　量子計算多路線并行，離子阱前景明朗

　　何種技術會成為主流，在當前這一產業化早期階段，仍需要繼續觀察。但不同企業對于自己的技術路線選擇，都有著充分的理由。

　　華翊量子創始人兼CEO姚麟告訴億歐，華翊量子選擇離子阱技術路線，最重要的原因，就是離子阱技術路線擴展規模相對容易，只需要增加離子數量和控制更多離子，通過獨特的設計就不需引入額外的外部硬件設備，便于降低成本，為大規模應用及商業化營造了條件。離子阱屬于光學技術路線，用激光來操控離子，每個離子對應一比特，通過激光操縱離子的量子態。這種形式下擴展量子計算機規模時，主要就是增加離子數和優化激光激發方式，比較簡單可控。

　　其次則是因為該技術在科學上已經具備相對成熟和完備的體系，華翊量子核心團隊2022年創業前就在實驗室中對該技術進行了多年的驗證和實踐。

　　在姚麟看來，離子阱路線在技術成熟度、擴展便利性和成本效率上都具有優勢，能夠有效支撐未來大規模量子計算的產品升級與產業化落地。

　　因此，在量子計算創業的技術路線選擇上，不能著眼于單一技術指標的先進程度，還要結合未來量產成本、規?；y度、商業化可能等全面評估各種因素。

　　在量子計算機的運行過程中，來自外部環境的微小震動或能量都可能導致計算錯誤。因此，對外在噪聲的抵抗力，也是量子計算機的重要指標。不過目前媒體往往更關注量子比特的數量，這也使得一些量子比特數量暫時落后但抗噪聲能力較為優秀的企業憤憤不平，微軟量子計算業務發展總監Julie Love就曾在接受采訪時內涵了IBM：“我們的一個量子比特，和某些企業的1000個、甚至10000個嘈雜的量子比特一樣強大?！?br />
　　當然，量子計算機中，量子比特的數量依然是重要的。那么，姚麟所說的規?；瘮U展，主要是指量子計算機在量子比特數量上的擴展，還是不同量子計算機設備間的互連與擴展呢？

　　姚麟告訴億歐，其實兩方面都有。

　　首先，未來要做一個大規模的計算系統，那一定是網絡化的，不可能在一個量子計算系統上無限增加量子比特的規模。在網絡化這個技術方向上，華翊量子也有著深厚的技術積累。

　　華翊量子成立于2022年1月，當年獲高榕領投的過億元天使輪融資，是國內首家專注于離子阱量子計算技術路線的企業，創始團隊來自清華大學量子信息中心。公司創始人及首席科學家為國際著名量子信息專家、清華大學量子信息中心主任段路明教授，CEO由原清華大學交叉信息研究院副研究員姚麟博士擔任，姚麟也是公司聯合創始人。

　　華翊量子離子阱量子計算機部分部件

　　離子阱系統是實現量子計算和量子網絡最有希望的系統之一，對于離子量子計算和量子網絡系統，擁有兩種相互間無串擾的量子比特類型至關重要：一種比特類型用于計算和存儲，稱為“數據比特”；另一種比特類型用于測量、協同冷卻、離子-光子糾纏等輔助操作，稱為“輔助比特”。華翊量子團隊對此也均有研究。

　　克服串擾的影響是實現量子糾錯和大規模容錯量子計算的關鍵要求之一，段路明團隊的研究涉及操作量子信息在光子和存儲粒子（通常為原子）之間的相干轉化（量子接口）、多量子接口之間的量子糾纏等，這為基于離子阱系統的容錯量子計算提供了重要工具。2001年，段路明與合作者就提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中繼方案，就是利用原子量子存儲器和單光子信道的結合，克服光量子信號在光纖中的指數衰減問題。

　　姚麟表示，在量子信息科學中，光子擁有最快的傳輸速度，是傳播量子信息的最佳載體，而原子擁有很長的量子相干時間，被廣泛用于量子信息的存儲。關于離子和光子之間的耦合去傳遞量子信息，段路明20多年前提出的方案，不僅具有理論和技術的領先性，現在也在華翊量子有了進一步驗證、落地的機會。

　　02

　　量子計算的網絡化，同樣重要

　　既然單個量子計算機的量子比特數，不可能無限增長；那么就需要量子計算的網絡互聯。目前最好的方法，就是用光子作為媒介。

　　光子具有由偏振性決定的自旋角動量（SAM）和由光場空間分布決定的軌道角動量（OAM）兩種不同的物理性質。光的自旋角動量態（偏振態） 就是很好的二維量子態；此外與光子自旋的二維量子態相比， 軌道角動量（OAM）還具有許多新奇的量子特性，OAM 量子數可以有無窮多個分立值。實際上，光子軌道角動量本就是高維量子計算、量子通信以及量子精密測量等領域研究的重點。光子 OAM 量子態構成一個無限維的希爾伯特空間， 是研究高維量子系統及其應用的一個理想載體。通過光子傳遞量子信息，就是因為光子具有多種量子特性。

　　光子軌道角動量等光子的量子特征，從理論到實際應用也存在一些難點。比如，如何在長距離光纖中對于光子軌道角動量進行低損耗以及高保真度的傳輸，如何對光子軌道角動量進行快速、高效以及非破壞性的識別等。

　　姚麟指出，離子阱量子計算機運行時，一定數量的離子被囚禁在一個超高真空環境的離子阱（Ion trap）中，每個離子對應一個量子比特；離子的量子態通常由離子的內部能級表示，通過激光作用可以將離子從一個能級激發到另一個能級，實現對量子比特的操作；也可以通過激光讓離子發生相互作用，實現量子邏輯門的操作，即在量子比特之間進行邏輯運算。

　　不過，離子阱技術可以通過射頻場實現把單個離子囚禁于離子阱中，但離子由于雜散電場、熱運動以及勢場相位差等原因就會產生微運動，微運動會使系統頻率測量產生很大的誤差。微運動、噪聲等帶來的誤差，是多種類型量子計算機技術路線中都難以避免的。目前各家企業都在設法降低誤差。

　　姚麟就指出，量子計算機實現多系統規模擴展的核心是產生量子糾纏，讓不同系統的量子比特產生交互。目前各種量子計算技術路線面臨的主要問題是如何更快提高性能，主要體現在增加量子比特數、提高連通性（任意兩量子比特間的交互）、降低錯誤率等。這些是衡量量子計算機性能的關鍵指標。

　　“目前量子計算的錯誤率，大家基本都是朝著千分之一或者萬分之一這樣方向去做。但哪怕是萬分之一，其實也遠遠高于經典計算機的運行錯誤率，后者大概是10的-15次方?！?姚麟說。

　　離子阱量子計算機利用離子和光子之間的耦合來傳遞量子比特之間的信息，光纖傳輸的帶寬足夠大，但最核心要解決的是讓兩邊的量子比特產生量子糾纏，實現量子比特之間的相互作用和連接。量子計算機的信息交互會非常頻繁，信息交互速度跟不上，可能就會影響到整個計算系統的效率。

　　姚麟告訴億歐，離子阱量子計算機中，量子比特數量的擴展可以在不引入額外設備和硬件的情況下實現，并可以通過利用離子之間的光學相互作用來控制和操作它們。量子計算的未來發展趨勢是實現網絡化和量子互聯。這意味著在構建大規模量子計算系統時，不僅需要增加單個系統中量子比特的數量，還需要實現多個系統之間的連接和通信。離子阱量子計算機利用光子作為介質，在量子網絡中傳遞量子信息，具有天然的兼容性和體量優勢。

　　03

　　量子計算設備器件的國產化優勢

　　不同于經典計算中CPU、GPU等嚴重依賴國外大廠的IP設計，以及西方供應鏈支撐下的半導體設備、材料、晶圓代工等配套體系。

　　量旋科技創始人兼CEO項金根就曾表示，量子芯片與半導體芯片有著很大不同，其中最大的不同在于，量子芯片本質是模擬性質的芯片，半導體芯片則是數字芯片。經典芯片中的大部分元器件是晶體管（如二極管、三極管、電容、電阻等）；而超導量子計算中超導芯片最主要的核心部件是一些超導線路，其中有電容、電感，還有半導體中沒有的約瑟夫森結?？傊?，量子芯片上的元器件、工作原理、信號等都與半導體芯片千差萬別。

　　姚麟也向億歐表示，國內光學產業的發展相對電子產業，卡脖子的程度其實非常低，很多部分還是領先的。國際上光學領域用的特殊材料，甚至很多都是中國產的。國產激光器、光纖、光學反射鏡等設備，不管是性能還是成本，相比國外都具有非常明顯的優勢。

　　像國內長春、上海、成都三大光學所都有科研轉化企業，華翊量子和這些光學供應鏈企業也有著比較密切的聯系，采購過不少國產光學器件。華翊量子圍繞上下游的核心器件提前進行供應商儲備，目前華翊量子離子阱量子計算機的核心器件國產化率達90%以上。

　　“國內光學產業這幾年的進展其實非?？?，在國際上也具有有利的產業地位，這也間接促進了我們的發展?！?姚麟。

　　國內光學產業的技術和成本優勢，也有利于與光學關系密切的離子阱量子計算等技術路線的發展。姚麟對未來也充滿信心：現在應該是量子計算的爆發前夜，最近三年，全球各主要廠商投入巨大，很多案例都證明了量子計算機在商業落地上已經具備了初步可達性。

　　前段時間華翊量子正式發布離子阱量子計算第一代商業化原型機HYQ-A37，可提供多達37個量子比特的量子計算能力。同時華翊量子也在全力開發和完善與HYQ-A37原型機配套的相關云服務軟件，近期可支持客戶通過量子計算云平臺獲得量子計算算力訪問服務。

　　HYQ-A37整機

　　而美國量子計算公司IonQ，目前實現了32個量子比特的規模；霍尼韋爾控股的Quantinuum近期發布的系統提供32個量子比特的計算能力?？梢哉f，中國在發布離子阱量子計算技術路線上是具有國際領先性的。

　　姚麟還表示未來還會在比特數、網絡化等方面進一步升級，隨著比特數（n）的增長，CPU算力呈線性n增長，GPU算力呈n*n增長，而量子計算算力呈2^n增長；預計升級發布新產品的節奏會在每年1次左右。

　　那么，如果有兩臺50量子比特的量子計算機，對比一臺100量子比特的量子計算機，那前者兩臺加一塊的算力跟后者比哪個會更高呢？

　　姚麟表示，這取決于怎么樣對這兩臺50量子比特量子計算機進行連接。兩臺50量子比特要想達到相當于1臺100量子比特計算機的算力，最重要的一點，就是要保證這兩臺50量子比特量子計算機之間的信息傳遞是必須是量子化的，不能用經典傳遞。假如用經典以太網的光纖，單純地傳經典信息，那么，兩臺50量子比特的量子計算機互相連接，最多也只能相當于一臺51量子比特的量子計算機。這也表明，比特數和利于量子連接的網絡化同樣重要。

　　隨著算力的增長，未來量子計算的產業落地場景與產業規?？隙〞浅＞薮?。強大的計算能力會讓很多以前不可能實現的應用成為可能，比如新藥研發、新材料發現等。因為材料發現時會涉及到分子乃至原子、電子，其本身計算過程就是量子化的，對此量子計算有天然的優勢。

　　量子計算作為當代科技領域最令人振奮的前沿領域之一，吸引著眾多科學家、工程師、企業家投入其中，而離子阱、超導、半導體、光量子等多種技術正日益成為引領量子計算發展的重要方向。

　　量子計算的世界，也和宇宙一樣神秘。離子阱如同穩定的星系，通過精確操控離子間的相互作用，為我們提供了高度可控的量子比特操作，使得規?；ミB和精確計算成為可能；超導技術路線像是宇宙中的黑洞，擁有快速操作速度等優點，但也面臨著相干時間的挑戰；而光量子宛如奇妙的星云，通過光的量子特性進行信息的傳遞和處理，以其快速傳輸和處理信息的能力，為量子通信和量子網絡的實現帶來了希望。

　　每一種技術路線都有其獨特的特點和潛力，它們為量子計算的發展提供了多元化的路徑選擇。當然，這些技術路線也并非沒有挑戰。量子計算的擴展性問題、相干時間限制、容錯率、光損耗等都是需要克服的難題。但正是這些挑戰，才讓量子計算產業進展的每一步，都非常精彩。

　　這些不同技術路線，在發揮各自優勢的基礎上，也共同推動著量子計算的發展，讓我們能更快地進入量子時代。