当超导遇到量子（下）：“遇事不决，量子力学”的时代到来了？

出品：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系）

监制：中国科普博览

你还记吗？我们在前两篇文章中介绍了超导量子计算及其纠错方案。

超导量子计算是一种基于超导现象和集成电路工艺的运算方案，作为现今主流的量子计算方案之一，不仅可以与现今的集成电路工艺相兼容，从而可以制备出大量的量子比特，还具有良好的可操纵性和灵活性，能够进一步应用于不同场景下的科学研究。

屏幕前的小伙伴一定想知道，如此先进的超导量子计算，在现实世界中是否已经得到了应用呢？

当梦想照进现实——“狂飙”的超导量子计算

从上世纪90年代开始，国际上领先的高科技公司就开始投入到对量子计算机的研发中，并且积极探索超导量子计算的实现方案。目前，量子计算机仍然处于从实验室的研发向企业产品化的发展阶段，其中，在量子计算的赛道上一路“狂飙”的技术路线，当属超导量子计算方案。

在2019年，来自谷歌的量子人工智能研究团队就研制出具有53个超导量子比特的量子计算机，并且展现出强大的运算能力。在针对某个特定复杂计算任务的求解上，该款超导量子计算机只需要200秒就可以成功完成任务。而如果采用当年世界上排名第一的超级计算机进行求解，则需要长达一万年才能实现。

谷歌公司发布的超导量子计算机

（图片来源：Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor – Google AI Blog ）

而就在2023年2月，该研究团队将原本只有53个量子比特的超导量子计算系统进一步升级，扩展至72个量子比特，并且成功验证了量子纠错方案的可行性。这也就意味着，人们距离未来真正实用化的量子计算机更近了一步，从而展示出量子计算机未来的巨大发展潜能。

值得一提的是，来自中国的量子技术团队也在超导量子计算领域，接连取得了可喜的成果。就在2021年，来自中国科学技术大学的研究团队主导构建了属于我们自己的超导量子计算机——“祖冲之二号”。该款超导量子计算机的量子比特数目达到66个，并且在运算速度方面比2019年谷歌发布的系统快接近一万倍，从而在国际量子信息的竞争中占有一席之地。

祖冲之二号

（图片来源：安徽日报）

而就在2023年3月，来自南方科技大学、清华大学和福州大学的联合实验团队，也在基于超导量子计算的量子纠错领域取得突破性进展。该研究团队利用实时重复的量子纠错技术，在国际上首次降低了量子比特的错误率，从而延长了量子比特的存储时间，相关科研成果发表在国际顶尖的学术期刊《Nature》上。

（图片来源：Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit, Nature）

量子计算的“三步走”战略——脚踏实地，未来可期

虽然量子计算的发展十分迅速，但需要提醒大家的是，量子计算机仍然处于十分初始的阶段。目前主流的观点认为，要实现真正实用化的量子计算机，需要至少经过三个发展阶段，分别为：量子计算的可行性论证，消除外界干扰进行量子计算，以及具有商业价值的实际量子计算应用。

为了逐步实现量子计算的发展目标，科学家们也相应地提出“三步走”战略，即：验证量子计算的优越性、在噪声环境下的中等规模量子计算（NISQ），以及可以通用化的量子计算。

量子计算机的“三步走”战略：绿色区域代表下一步的NISQ，灰色区域代表第三步的容错量子计算。

（图片来源：Quantum advantage, or a practical demonstration that quantum computers work | by Przemek Chojecki | Towards Data Science）

当前，人类已经完成“三步走”战略中的第一步——验证量子计算的优越性。这个标志性的事件就是谷歌团队于2019年公布的超导量子计算机。该款量子计算机展现了远超经典计算机的超强算力，因此人类已经证明了量子计算有自身独特的优越性。

目前，科学家们正在努力实现“三步走”战略中的第二步——在噪声环境下的中等规模量子计算（NISQ）。这是因为，量子计算机在运算过程中非常容易受到外界环境的干扰，从而在量子计算的实际运算中出现一定的错误率，而这种干扰也被称为“噪声”。

为了降低噪声环境下量子计算的错误率，这就需要进行量子纠错，从而顺利地完成运算任务。这一步同样是谷歌的研究团队实现了突破，我们在前一篇文章中已经详细介绍了他们基于超导量子系统，成功验证了量子纠错方案的可行性。这标志着人类已经在量子纠错领域迈出了坚实的一步，从而沿着“三步走”战略继续稳步前行。

而“三步走”战略中的最后一步，也是我们的最终目标——可以实现通用化的量子计算。

在可预见的将来，我们在完成“三步走”战略之后，量子计算机将不仅仅可以用于特定算法问题的求解，还可以帮助人们完成从新型药物分子的研发到核聚变反应过程计算等，从而展现出潜力巨大的商业价值。

结语

虽然量子计算机距离真正实用化还有很长的一段路要走，并且在形态和功能上仍然比较初级。但是，很多这个领域的科学家会想到1946年诞生的第一台计算机ENIAC——它占地面积高达170平方米，重达30吨。

（图片来源：ENIAC - Wikipedia）

尽管当初ENIAC庞大到占据整个房间，但是它开启了人类信息时代的大幕，从而深刻地改变了人类的生产和生活方式。因此，我们有理由相信，随着量子计算技术的不断突破，量子时代也将进一步改变人类处理信息的方式，而新时代的大幕现在正在悄然拉开。