量子计算，不只看量子比特数

lameihua

　　在热门科幻剧《黑镜》的最新第六季第一集《琼很糟糕》中，量子计算机再次成为了一个隐藏幕后的重要“角色”。《琼很糟糕》讲述的是职场人士琼的每一天，都会在次日的流媒体剧集中出现（下面描述会有少量剧透），这一点倒是类似《楚门的世界》中楚门的日常被实时直播。

　　不同点在于，剧集中琼发现自己被拍成剧集之后，感到隐私受侵犯，于是琼设法联系到扮演自己的演员——但最后两人却发现，自己并不处于真实世界，而是处于一个量子计算机分子级别模拟出来的世界。甚至琼也只是对真实世界中琼的扮演，这是一个层层嵌套的宇宙，琼只是在第二层宇宙里饰演琼，侵犯自己隐私的剧集是第三层宇宙的琼，甚至还有人饰演第四层宇宙的琼。

　　具体剧情不再赘述，但这个层层精细模拟、甚至具备自主意识的虚拟世界，用量子计算机作为其“创世主”的角色，也确实符合人们的想象。因为这个嵌套宇宙所需要的计算量，几乎是无限的，经典计算不可能实现。

　　在现实世界中，量子计算的进展确实有了加快的迹象。国外，IBM首次验证100+量子比特无需纠错依然可取得精确结果的研究登上了6月15日的Nature封面；国内，华翊量子、启科量子等企业的离子阱量子计算机也纷纷亮相。

　　IBM Quantum副总裁Jay Gambetta就表示，“（量子计算上）我们已经达到实用的时代”。

　　量子计算是利用量子力学定律来解决对经典计算机来说过于复杂的问题。理解量子计算，也得初步了解量子力学。

　　中国人对于量子力学的认识与量子学说的提出间隔并不久，1923年，罗家伦在美国哥伦比亚大学完成的《科学与玄学》一书中，就提到“量子说将来的重要，恐将驾相对论而上之。”

　　20世纪20年代以来，量子力学由初创转向纵深发展：1927年冯·诺依曼和希尔伯特、诺戴姆联名发表了论文《量子力学基础》，将经典力学中的精确函数关系用概率关系更替。1930年，狄拉克出版《量子力学原理》，给出了量子力学的统一数学表述形式。1932年，冯·诺依曼出版了《量子力学的数学基础》，弥补了狄拉克的不足，并发展了希尔伯特算子理论。1981，诺贝尔物理学奖得主费恩曼更是在一篇论文中首次提出量子计算机（Quantum Computer）的概念。

　　诺贝尔奖得主李政道就曾说过：“如果没有狭义相对论和量子力学的诞生，就不会有后来的原子结构、分子物理、核能、激光、半导体、超导体、超级计算机等一切科学文化的发展。”

　　为什么我们需要量子计算机？因为对于某些复杂性问题，经典计算机的表现并不那么出色。

　　复杂问题是许多变量以复杂方式相互作用，计算量级往往指数级上升，比如对分子中单个原子的行为进行建模，在全球航运网络中为成千上万艘轮船挑选理想航线等问题。据中科院院士潘建伟透露，在求解5000万个样本的高斯玻色取样时，富岳超级计算机需6亿年，而2020年发布的九章一号量子计算机只需200秒。

　　九章是光量子技术路线，此外中科院的祖冲之号则采用了超导量子技术路线。当前，全球的量子计算研发中，光量子、超导以及离子阱、半导体等多种技术路线并行。如国内华翊量子、启科量子，国外IonQ、Quantinuum、Oxford Ionics等企业采用的就是离子阱技术路线。

　　量子计算距离落地实用，到底还有多远？不同技术路线各具怎样的优势？离子阱技术路线的特殊性又表现在哪里？

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　　量子计算多路线并行，离子阱前景明朗

　　何种技术会成为主流，在当前这一产业化早期阶段，仍需要继续观察。但不同企业对于自己的技术路线选择，都有着充分的理由。

　　华翊量子创始人兼CEO姚麟告诉亿欧，华翊量子选择离子阱技术路线，最重要的原因，就是离子阱技术路线扩展规模相对容易，只需要增加离子数量和控制更多离子，通过独特的设计就不需引入额外的外部硬件设备，便于降低成本，为大规模应用及商业化营造了条件。离子阱属于光学技术路线，用激光来操控离子，每个离子对应一比特，通过激光操纵离子的量子态。这种形式下扩展量子计算机规模时，主要就是增加离子数和优化激光激发方式，比较简单可控。

　　其次则是因为该技术在科学上已经具备相对成熟和完备的体系，华翊量子核心团队2022年创业前就在实验室中对该技术进行了多年的验证和实践。

　　在姚麟看来，离子阱路线在技术成熟度、扩展便利性和成本效率上都具有优势，能够有效支撑未来大规模量子计算的产品升级与产业化落地。

　　因此，在量子计算创业的技术路线选择上，不能着眼于单一技术指标的先进程度，还要结合未来量产成本、规模化难度、商业化可能等全面评估各种因素。

　　在量子计算机的运行过程中，来自外部环境的微小震动或能量都可能导致计算错误。因此，对外在噪声的抵抗力，也是量子计算机的重要指标。不过目前媒体往往更关注量子比特的数量，这也使得一些量子比特数量暂时落后但抗噪声能力较为优秀的企业愤愤不平，微软量子计算业务发展总监Julie Love就曾在接受采访时内涵了IBM：“我们的一个量子比特，和某些企业的1000个、甚至10000个嘈杂的量子比特一样强大。”

　　当然，量子计算机中，量子比特的数量依然是重要的。那么，姚麟所说的规模化扩展，主要是指量子计算机在量子比特数量上的扩展，还是不同量子计算机设备间的互连与扩展呢？

　　姚麟告诉亿欧，其实两方面都有。

　　首先，未来要做一个大规模的计算系统，那一定是网络化的，不可能在一个量子计算系统上无限增加量子比特的规模。在网络化这个技术方向上，华翊量子也有着深厚的技术积累。

　　华翊量子成立于2022年1月，当年获高榕领投的过亿元天使轮融资，是国内首家专注于离子阱量子计算技术路线的企业，创始团队来自清华大学量子信息中心。公司创始人及首席科学家为国际著名量子信息专家、清华大学量子信息中心主任段路明教授，CEO由原清华大学交叉信息研究院副研究员姚麟博士担任，姚麟也是公司联合创始人。

　　华翊量子离子阱量子计算机部分部件

　　离子阱系统是实现量子计算和量子网络最有希望的系统之一，对于离子量子计算和量子网络系统，拥有两种相互间无串扰的量子比特类型至关重要：一种比特类型用于计算和存储，称为“数据比特”；另一种比特类型用于测量、协同冷却、离子-光子纠缠等辅助操作，称为“辅助比特”。华翊量子团队对此也均有研究。

　　克服串扰的影响是实现量子纠错和大规模容错量子计算的关键要求之一，段路明团队的研究涉及操作量子信息在光子和存储粒子（通常为原子）之间的相干转化（量子接口）、多量子接口之间的量子纠缠等，这为基于离子阱系统的容错量子计算提供了重要工具。2001年，段路明与合作者就提出著名的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中继方案，就是利用原子量子存储器和单光子信道的结合，克服光量子信号在光纤中的指数衰减问题。

　　姚麟表示，在量子信息科学中，光子拥有最快的传输速度，是传播量子信息的最佳载体，而原子拥有很长的量子相干时间，被广泛用于量子信息的存储。关于离子和光子之间的耦合去传递量子信息，段路明20多年前提出的方案，不仅具有理论和技术的领先性，现在也在华翊量子有了进一步验证、落地的机会。

　　02

　　量子计算的网络化，同样重要

　　既然单个量子计算机的量子比特数，不可能无限增长；那么就需要量子计算的网络互联。目前最好的方法，就是用光子作为媒介。

　　光子具有由偏振性决定的自旋角动量（SAM）和由光场空间分布决定的轨道角动量（OAM）两种不同的物理性质。光的自旋角动量态（偏振态） 就是很好的二维量子态；此外与光子自旋的二维量子态相比， 轨道角动量（OAM）还具有许多新奇的量子特性，OAM 量子数可以有无穷多个分立值。实际上，光子轨道角动量本就是高维量子计算、量子通信以及量子精密测量等领域研究的重点。光子 OAM 量子态构成一个无限维的希尔伯特空间， 是研究高维量子系统及其应用的一个理想载体。通过光子传递量子信息，就是因为光子具有多种量子特性。

　　光子轨道角动量等光子的量子特征，从理论到实际应用也存在一些难点。比如，如何在长距离光纤中对于光子轨道角动量进行低损耗以及高保真度的传输，如何对光子轨道角动量进行快速、高效以及非破坏性的识别等。

　　姚麟指出，离子阱量子计算机运行时，一定数量的离子被囚禁在一个超高真空环境的离子阱（Ion trap）中，每个离子对应一个量子比特；离子的量子态通常由离子的内部能级表示，通过激光作用可以将离子从一个能级激发到另一个能级，实现对量子比特的操作；也可以通过激光让离子发生相互作用，实现量子逻辑门的操作，即在量子比特之间进行逻辑运算。

　　不过，离子阱技术可以通过射频场实现把单个离子囚禁于离子阱中，但离子由于杂散电场、热运动以及势场相位差等原因就会产生微运动，微运动会使系统频率测量产生很大的误差。微运动、噪声等带来的误差，是多种类型量子计算机技术路线中都难以避免的。目前各家企业都在设法降低误差。

　　姚麟就指出，量子计算机实现多系统规模扩展的核心是产生量子纠缠，让不同系统的量子比特产生交互。目前各种量子计算技术路线面临的主要问题是如何更快提高性能，主要体现在增加量子比特数、提高连通性（任意两量子比特间的交互）、降低错误率等。这些是衡量量子计算机性能的关键指标。

　　“目前量子计算的错误率，大家基本都是朝着千分之一或者万分之一这样方向去做。但哪怕是万分之一，其实也远远高于经典计算机的运行错误率，后者大概是10的-15次方。” 姚麟说。

　　离子阱量子计算机利用离子和光子之间的耦合来传递量子比特之间的信息，光纤传输的带宽足够大，但最核心要解决的是让两边的量子比特产生量子纠缠，实现量子比特之间的相互作用和连接。量子计算机的信息交互会非常频繁，信息交互速度跟不上，可能就会影响到整个计算系统的效率。

　　姚麟告诉亿欧，离子阱量子计算机中，量子比特数量的扩展可以在不引入额外设备和硬件的情况下实现，并可以通过利用离子之间的光学相互作用来控制和操作它们。量子计算的未来发展趋势是实现网络化和量子互联。这意味着在构建大规模量子计算系统时，不仅需要增加单个系统中量子比特的数量，还需要实现多个系统之间的连接和通信。离子阱量子计算机利用光子作为介质，在量子网络中传递量子信息，具有天然的兼容性和体量优势。

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　　量子计算设备器件的国产化优势

　　不同于经典计算中CPU、GPU等严重依赖国外大厂的IP设计，以及西方供应链支撑下的半导体设备、材料、晶圆代工等配套体系。

　　量旋科技创始人兼CEO项金根就曾表示，量子芯片与半导体芯片有着很大不同，其中最大的不同在于，量子芯片本质是模拟性质的芯片，半导体芯片则是数字芯片。经典芯片中的大部分元器件是晶体管（如二极管、三极管、电容、电阻等）；而超导量子计算中超导芯片最主要的核心部件是一些超导线路，其中有电容、电感，还有半导体中没有的约瑟夫森结。总之，量子芯片上的元器件、工作原理、信号等都与半导体芯片千差万别。

　　姚麟也向亿欧表示，国内光学产业的发展相对电子产业，卡脖子的程度其实非常低，很多部分还是领先的。国际上光学领域用的特殊材料，甚至很多都是中国产的。国产激光器、光纤、光学反射镜等设备，不管是性能还是成本，相比国外都具有非常明显的优势。

　　像国内长春、上海、成都三大光学所都有科研转化企业，华翊量子和这些光学供应链企业也有着比较密切的联系，采购过不少国产光学器件。华翊量子围绕上下游的核心器件提前进行供应商储备，目前华翊量子离子阱量子计算机的核心器件国产化率达90%以上。

　　“国内光学产业这几年的进展其实非常快，在国际上也具有有利的产业地位，这也间接促进了我们的发展。” 姚麟。

　　国内光学产业的技术和成本优势，也有利于与光学关系密切的离子阱量子计算等技术路线的发展。姚麟对未来也充满信心：现在应该是量子计算的爆发前夜，最近三年，全球各主要厂商投入巨大，很多案例都证明了量子计算机在商业落地上已经具备了初步可达性。

　　前段时间华翊量子正式发布离子阱量子计算第一代商业化原型机HYQ-A37，可提供多达37个量子比特的量子计算能力。同时华翊量子也在全力开发和完善与HYQ-A37原型机配套的相关云服务软件，近期可支持客户通过量子计算云平台获得量子计算算力访问服务。

　　HYQ-A37整机

　　而美国量子计算公司IonQ，目前实现了32个量子比特的规模；霍尼韦尔控股的Quantinuum近期发布的系统提供32个量子比特的计算能力。可以说，中国在发布离子阱量子计算技术路线上是具有国际领先性的。

　　姚麟还表示未来还会在比特数、网络化等方面进一步升级，随着比特数（n）的增长，CPU算力呈线性n增长，GPU算力呈n*n增长，而量子计算算力呈2^n增长；预计升级发布新产品的节奏会在每年1次左右。

　　那么，如果有两台50量子比特的量子计算机，对比一台100量子比特的量子计算机，那前者两台加一块的算力跟后者比哪个会更高呢？

　　姚麟表示，这取决于怎么样对这两台50量子比特量子计算机进行连接。两台50量子比特要想达到相当于1台100量子比特计算机的算力，最重要的一点，就是要保证这两台50量子比特量子计算机之间的信息传递是必须是量子化的，不能用经典传递。假如用经典以太网的光纤，单纯地传经典信息，那么，两台50量子比特的量子计算机互相连接，最多也只能相当于一台51量子比特的量子计算机。这也表明，比特数和利于量子连接的网络化同样重要。

　　随着算力的增长，未来量子计算的产业落地场景与产业规模肯定会非常巨大。强大的计算能力会让很多以前不可能实现的应用成为可能，比如新药研发、新材料发现等。因为材料发现时会涉及到分子乃至原子、电子，其本身计算过程就是量子化的，对此量子计算有天然的优势。

　　量子计算作为当代科技领域最令人振奋的前沿领域之一，吸引着众多科学家、工程师、企业家投入其中，而离子阱、超导、半导体、光量子等多种技术正日益成为引领量子计算发展的重要方向。

　　量子计算的世界，也和宇宙一样神秘。离子阱如同稳定的星系，通过精确操控离子间的相互作用，为我们提供了高度可控的量子比特操作，使得规模化互连和精确计算成为可能；超导技术路线像是宇宙中的黑洞，拥有快速操作速度等优点，但也面临着相干时间的挑战；而光量子宛如奇妙的星云，通过光的量子特性进行信息的传递和处理，以其快速传输和处理信息的能力，为量子通信和量子网络的实现带来了希望。

　　每一种技术路线都有其独特的特点和潜力，它们为量子计算的发展提供了多元化的路径选择。当然，这些技术路线也并非没有挑战。量子计算的扩展性问题、相干时间限制、容错率、光损耗等都是需要克服的难题。但正是这些挑战，才让量子计算产业进展的每一步，都非常精彩。

　　这些不同技术路线，在发挥各自优势的基础上，也共同推动着量子计算的发展，让我们能更快地进入量子时代。