​如何打造实用的量子计算机？

“量子优越性是指在一个特定问题上超过经典计算机。未实现量子优越性，则任何计算任务都可被经典计算机模拟，谈不上提供真正的算力。”朱晓波在主旨演讲时强调。

中国科学技术大学教授、博士生导师、“祖冲之号”量子计算原型机总师朱晓波，在中国电信智算云生态大会·量子信息分论坛的主旨演讲中，介绍了实用量子计算机研制、超导量子计算机产业、量子计算云平台等进展，以下为部分内容。

如何打造实用量子计算机

朱晓波介绍，量子信息发展已久，最早可以追溯到19世纪末期普朗克提出量子论，20世纪初量子力学建立，带来了第一次量子革命，为量子信息发展奠定了理论基础。随着技术不断进步，人类可以对单个粒子进行有效调控和测试，创造了全新的量子信息产业：量子通信、量子计算、量子精密测量等。

“其中量子通信最为成熟，已开始落地应用，但量子计算还处在原理验证和关键技术突破阶段。”朱晓波指出，不同于经典计算，量子计算基于量子比特，随着比特数增加，量子计算具备指数级的加速计算能力。要实现量子计算，就需要去操控能量不可分的最小单元，因而如何制造出实用化的量子计算机，成为业界面临的最大挑战。“一旦实现，对国家安全、对信息产业发展，都将是革命性的。”

如何打造一台实用化的量子计算机？有两个必要条件：一是降低比特操控错误率；二是增加量子比特数目，两者必须同步进行。基于这两个指标，朱晓波分别介绍了量子计算发展的三个阶段：

第一个阶段，可经典模拟阶段，这个阶段量子计算机执行的计算任务都可以用经典计算机进行模拟；而以实现“量子优越性”或称“量子称霸”为标志，即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，就进入第二个阶段，即带错误的中等规模近期应用阶段，这个阶段比特数达到一百到数千，同时做到较低的比特门错误率，可以实现具有特定领域的应用价值的专用量子计算，可在组合优化、量子化学、机器学习等方面发挥效用；第三个阶段，实现大规模容错通用量子计算机，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。

“近几年来，国家和业界对量子计算研究进行了大量投入。”朱晓波如是说。全球有4台量子计算机实现了“量子优越性”，分别是美国谷歌的悬铃木（Sycamore）、中国的光量子计算机“九章”和超导量子计算机“祖冲之二号”、加拿大Xanadu的北极光（Borealis）。中国是目前世界上唯一在超导量子和光量子两种物理技术路线上都实现“量子计算优越性”的国家。

### 超导量子计算机产业进展

量子计算机有多条技术路线，包括超导量子比特、超冷原子、光量子、离子阱、半导体量子点、拓扑量子计算、金刚石N-V色心等。这些技术路线各有优势，而超导技术路线的芯片制备与集成电路工艺高度一致，所以具备良好的的可扩展性，同时基于无损耗的超导电路构建的宏观人造原子体系又兼顾了良好的环境隔离性与控制灵敏度。基于这些优势，超导量子计算机目前在众多技术路线的发展中已经走在前列，被认为是最有希望实现大规模实用化的量子计算机技术路线之一。

作为“祖冲之号”量子计算原型机总师，朱晓波重点讲解了超导量子计算机的产业进展。他介绍了超导量子计算机几大组成部分：一是量子处理器和实现极低温、极低噪声的低温组件，要操控量子，必须将其放在极低温（20mK，约零下273.13℃）环境；二是室温区电子学操控系统；三是操控软件系统。最后是量子计算云平台，这是做大做强量子计算生态的关键，要与量子硬件同步发展、互相促进。

**“一个超导量子比特翻转一次的能量，大概是蝴蝶扇动一下能量的10亿亿分之一。也就是操控10亿亿分之一的翻转，同时精度还要达到万分之一。”**朱晓波感叹。在研究团队的努力下，中国科大将每个量子比特错误率降低到了约千分之一的水平。同时，**中国科大还自主研发了稀释制冷机、电子学控制系统等关键组件，解决了被国外“卡脖子”的难题，**甚至相关产品已经开始拓展海外市场。

“我们要实现量子优越性，我们要争口气。谷歌悬铃木率先实现了量子优越性，但我们的‘祖冲之二号’在单比特门保真度、双比特门保真度、读取保真度等重要标定量子处理器基本性能的指标参数上都明显优于谷歌悬铃木。”朱晓波再度强调，“为了保持我们在超导体系量子计算的领先优势，我们会持续做更深度的量子优越性实验，否则所有的东西都是镜花水月。同时与谷歌等国际量子计算团队的竞争将会持续存在。”

量子计算云平台扮演要角

在演讲中，朱晓波重点强调了量子计算云平台的价值。他认为，量子计算云平台已成为量子计算走向实用化的主流形式。量子计算想要成功，需要真正落地到行业中去探索应用，同时反过来启发研究者的灵感，打造更加易用的量子计算开发者工具体系。即使现阶段的量子计算机还不具备解决实际应用问题的能力，也必须花大力气建设好云平台，**云服务是量子计算的未来应用的主流模式。**量子计算机硬件一旦取得重大突破，必将迸发出巨大的能量。