谷歌量子计算机是超导量子吗

二零一九年，谷歌的量子计算机赛克莫在随机线路采样中用两百秒完成超级计算机单卖一万年才能完成的计算量。而近期中国研发的九张量子计算机，在高斯波斯采样中，两百秒就完成了有高度超级计算机六亿年的计算量。 重要的是，与谷歌 cam 二使用的超低温超导材料不同，九张使用的芯片材料是一种常温光量子材料。光量子材料不要求超导材料的低温、高压，极端条件就能在室温下实现量子计算。而且光子很难跟环境发生相互作用， 能很好的保存和传输量子信息。但难点就在于对量子信息的操作。九张量子计算机采用线性光学构架，该构架无法通过两个光子来实现逻辑门运算，这使得进一步集成化变得困难。危险性光学构架就不一样，他无需多余光子协助，就能实现单个光子 尺度的相互作用。研究发现，石墨烯材料拥有出色的飞线性光学属性，是光子逻辑门的非常理想的材料，被科学界认为是量子计算的下一个未来。

今天来跟大家分享一个超级震撼的消息，谷歌的量子计算机竟然在几秒钟内完成了一台传统超级计算机需要四十七年才能完成的任务。这项突破性的成果真的让人惊叹不已。 谷歌在二零一九年推出了名为 sakemore 的量子处理器，包含了五十三个超导量子比特。这次实验中，谷歌对 sakemore 处理器进行了升级，增加到了七十个量子比特。在这个实验中，谷歌的量子计算机完成了一个具有随机性的问题，被称为随机电路抽样。 传统计算机需要大量的计算才能得出结果，而谷歌的量子计算机仅用了六秒钟的时间就完成了这项任务。想象一下，几秒钟的时间就能完成需要四十七年才能完成的任务，这速度简直逆天。除了速度之外，量子计算机的可扩展性也是一个挑战。 不过，谷歌的这次实验证明了量子计算机在解决复杂问题方面的能力和效率。这不仅是一次技术上的突破，更是一次对人类认知的巨大提升。总的来说，谷歌的量子计算机取得了突破性的进展， 展现出了令人瞩目的性能。我们不禁想象一下，如果将这种技术应用到现实场景中，将会给我们的生活带来怎样的改变。

大家好啊，我是来自于中国科学院物理研究所的卢慧倩啊，今天呢我要跟大家介绍我们量子科技的一个明星材料啊，就是倡导材料， 操导材料呢，在量子课件里面有很多重要的应用。呃，首先呢，呃，因为操导材料有些比较特殊的性质，比如说 它的电阻是零，比如说它的这个内部的磁感强度啊，也是零啊，同时呢它是一种量子现象啊，所以呢它在我们的量子科技有重要的应用啊，我们来看具体例子啊，电阻是零啊，那么这种材料就可以实现很强的磁场，对吧？因为它可以通很强的电流啊， 那你就可以产生非常强的磁场之外呢，我还可以用很小的线圈就可以实现很强的磁场，也就是说我可以比较方便的实现强磁场之外，还有磁场 要保持均匀。比如说我们在医院去做核实公证，实际上用的是一个量子效应啊，我们是用一个射频把这个水分子的核把它冻下来，然后我们要测量这个水分子的核啊，他冻下来以后，他这个信号是怎么样变化的啊？所以我们才能 跟人做扫描。那么实际上如果我们把这个合资工作放到一个超到市场的环境里面，车上足够的强，车上足够的均匀，还要有一定的很小的一个梯度啊， 这样的话呢，我们就可以轻松的探测到我们身体里面这个水分子的一个分布，才能做我们这个 整个的这个人体的这些扫描啊。所以说其实我们这种最基本的操导的零电阻现象，在我们的生活里面已经广泛的用上了哈，他去医院如果去做合资公证的话，呃，医生会问你一句话，别说大部分医院是十一点五 五特的啊，还有三特的比较多，那我们做实验的还有七特的啊，那么现在最高的能做到十二特，那么国际上呃，大家都在攻克所谓的十四特斯莱的核磁共振啊， 如果实现了十四特色来核实公正，大家可以想象一下是非常非常恐怖的，它可以精确到这个亚微米的量级，就是把我们内部的大脑里面的神经元的细胞，每一根神经元它全部给你测出来，几百亿一根一次性的全部给你测出来， 也就说将来有这种科技的话，板灯塞到你这个合资工程机室里面去，可以知道你脑袋里面在想什么东西啊，其实可以做到那么操导的一个完美的主抗呢？他还可以实现所谓的定制化的通讯，也就是说我们在打电话，或者说某些特别是军事用途里面啊，我需要某一个特点 不断的信号，别的我都不要，我就可以用这个超导流股器来实现。实际上在我们国家其实已经在用了啊，但我们的空间上上现在做了一些相关的实验，那么这个时候就可以出现这个保密度非常好的， 只有我知道这个频段啊，别人都干涉不了我，那么有这个完美的主看呢，其实他还可以实现一个所谓的微波的邪正腔，这个邪正腔有什么作用呢？他这个邪正腔特别好看啊，长得像糖葫芦一样， 他其实是我们粒子加速器的一个加速的心脏粒子加速大家都知道哈，我们加一个很强的智障粒子，跑得越来越快对不对？ 但是如果我们先让我们的电子哈经过一个超到行政枪的话，我们就会很轻松的把它加速，也就是说我们的粒子加速器并不需要建那么长的隧道啊，我们可以大大的节省他的建造的成本， 那么这个是操导里面一个主抗就可以做到这么一个应用在操导体里面啊，我们加持上以后呢，他会出现绕的这个磁中线， 转了这个量子化的磁通，然后他转的就是我们的插到里面的配对的这个电子。对，在这个磁通线里面啊，他是有电阻的，但他磁通线的外面他是因为有配对的电子啊，他是没有电阻的。 那么这个为什么叫量子化的这种危险呢？我们都知道我们微观世界里面电盒的最小单元就是一个电子，叫做一个圆电盒， 大家知道磁场的意思就是一根磁能线，一共磁能线就相当于两个电子绕着转，那么在操到底内部呢，它形成了一个个的磁中窝线，里面就是一根磁中线，那是一个量子化的效应，这意味着什么呢？你稍微加一点点磁场，他就会动，这个磁场很小很小， 小到量子极限就不能再小，也就是说如果我利用这个量子词中我选择去操控的话，我会构建一个久违的约束复生节啊，就把这两个操作体拼在一起。这个东西呢叫做超到量子干涉仪，简称是贵的啊， 它是目前最精密的磁烫式设备，这个只受料子效应的限制啊，它可以测量当个时钟性的变化啊，非常非常的精密。 那么接以这种所谓的约束复生节，我们就可以去构造一个个的所谓的量子比特，因为我们其中也好啊，我们整个这个超导的 量子效应也好啊，我们可以利用他的这个量子效应去构造一个类似于我们现在的计算机的比特这种东西，只不过他是量子，那么构成一个个的量子比特呢，就可以构造一个量子的芯片啊， 那么这个芯片呢，就是我们量子计算机芯片的最基本的单元，可以说哈量子计算机，呃，虽然说我们实现的方案有很多很多，但是呢，作为超导芯片来实现的超导量子计算机是最方便的。其实超导量子计算机已经实现了， 在不论是国外的咱们 ibm 啊， google， 还是我们中国科大还有中科院，呃，各个地方其实都在研发超导弹的直源机啊， 虽然说超导量子虽然对性能啊和稳定性有待提高，但是它的运商力呢，已经远远超过了经典计算机。 举个例子哈，就可能说我们用现在最厉害的计算机群啊，来去预算可能要算好几万年的东西，放到我们的超导量子计算机，这样他同样比特的话啊，如果能达到的话，那可能就几秒钟啊，甚至于零点几秒钟就能解决的问题啊， 所以说量子计算是不是很厉害哈，如果我实现的话哈，如果我们进步去发掘这个超导材料的内部呢，我们还可以利用这个复杂的电子肽构造更加复杂的例子，有个例子叫做马约拉纳费名字，马约拉纳是一个人的名字哈，这个人很神奇哈， 大概是在非常年轻的时候啊，突然间消失了啊，大家都觉得这个人创业到不知道是什么地方去了啊，那么他这个人提的一个概念就是存在一种例子，这种例子他的仿例子就是他自己，那么这种例子呢？属于他呢，非常容易在超大题里面 出现。头饰呢，它具有非常神奇的量子特性，而且如果你能够所谓的啊编织就把这个粒子的相互作用能够控制住的话，你就可以实现所谓的拓普量子计算，就在我们之前的那个量子集团基础上，我们加上了拓普啊，就是可以保护他。这个量子计算过， 也就是说我们之前一般的超导亮晶他是不太稳定的啊，但是透过亮晶他是可以非常稳定的，甚至呢我们可以不再依赖很低的温度，比如说他更加的稳定，更加的高效，甚至呢我们成本可能更低， 当然在实践下来还要很长的距离啊，我们可能未来还要很多年的科学家的努力才能实现，可以说如果未来的世界呢，是量子的世界啊，如果我们最好的应用的一种材料之一可能就是我们的超导材料啊，可以说超导材料是我们未来量子世界的明星材料啊， 好，谢谢大家。

这几天超导的新闻太热了，把同样级别甚至可能更牛逼的新闻给掩盖了。刚刚，谷歌的量子计算团队发表了一篇文章，再次证实他们实现了量子霸权。他们在几秒钟之内完成的计算，在目前全球最快的计算机上，也需要四十七年才能完成。 在二零一九年谷歌宣称实现了量子霸权时，他们的量子计算机拥有五十三个 tube， 而这次的量子计算机则增加到了七十个 tube。 虽然只增加了十三个量子比特，但实际上量子计算机的计算能力是指数级增长的。 从理论上来讲，这个新的计算机的计算能力是二零一九年版本的二点四一倍。不过，量子计算机并非适用于所有计算，它主要适合需要穷举的算法。量子计算机的算法与传统计算机完全不同，因此，量子 计算机的发展需要开发全新的算法，同时要降低其错误率，需要把温度降到接近绝对零度。在量子计算机中，温度的控制至关重要。 这个有点像层蛋糕装置中，它的最底部就是混合式。安装上梁子处理器后，这块板的温度将达到十毫克尔文。 这是宇宙中最冷的地方之一，比两个星系之间的温度还要低两个数量级，这样才能有效降低错码率。目前，量子计算机只能在这种特殊的环境下实现。点赞关注我，会分享更多前沿科技！

量子计算的技术路线今天接着聊量子计算啊。量子计算机其实是个统称啊，它里边有不同的基础实现的方案啊。归纳起来，大概能有三个派比。一个啊，是谷歌、 ibm、 英特尔为代表的固态旗舰派。他们呀，主要是用超导或离子井的方式啊，制作量子计算机。 这一派是属于目前世界主流的，因为百分之八十的量子计算机都是这个技术路线。为啥呢？那最重要的原因啊，是这固态元器件啊，有可能跟以后的半导体工艺结合啊，真的有可能把这量子芯片也做成指甲盖那么大小的东西。 还有一派啊，是以光量子进行计算的这个光学派啊，为代表的呢，是咱们中科大，还有 mit 哎，相对好操作。但是呢，他很难缩小体积啊。比如现在一个不到一百量子比特的圆形量子计算器，就一张桌子那么大小了。那以后啊，如果研发出能堪比今天计算机一样的光量子计算器，大概得需要 一百万个量子比特呢。所以他呀，比较适合于实验室啊。那第三个呀，是微软为代表的这拓普量子计算方案啊。这有啥好处呢？因为拓普是有自身的结构特点的，你一块橡皮泥，他不破坏他的表面的情况下，你就不可能把它捏成一个甜甜圈啊。所以这种方式，他比较容易抵抗外界的这干扰和噪声， 能够有效降低量子计算机的出错率啊。所以啊，这每一个方案，其实都有他自身的优点和缺点哎，就有点像一百多年前交流电和直流电的技术路线之争，还有这个汽车诞生之初啊，也有内燃机和电动机的技术方案之争一样，那到底哪一个方案会胜出，可能得看哪一个先完成了这个大规模的商业应用了吧。

超导量子计算是基于超导电路的量子计算方案，其核心器件是超导约瑟夫森杰。超导量子电路在设计、 制备和测量等方面与现有的集成电路技术具有较高的兼容性，对量子比特的能及与偶合可以实现非常灵活的设计与控制，极具规模化的潜力。由于近年来的迅速发展，超导量子计算已成为目前最有希望实现通用量子计算的候选方案之一。 超导量子计算实验点致力于构建一个多比特超导量子计算架构平台，解决超导量子计算规模化量场中遇到的难题。 超导电路类似于传统的电子斜震电路，这种斜震电路产生了斜震子的能机，超导约瑟夫森效应使得超导电路在不发生损耗和退箱杆的情况下产生飞线性气，导致斜震子的能机间隔不再等通。其中最低的两个能机可以用来 实现量子比特的操控。与经典邪震电路不同的是，超导电路还含有由约瑟夫森杰带来的电杆六 j 这一项改变，这一项和电杆 l 电容 c 的笔直物理学家提出了多种基于超导线路的比特形式。 超导量子计算的研究始于两千年前后，后来在美国耶鲁大学受靠比特 devery 的研究组的推动下，将超导比特和微波枪进行吻合，实现了量子比特高保真度的读出和纠缠，加速了超导量子比特的研究。 微波枪是一种容纳微波光子的邪震枪，比特的两个能及会对微波枪的光子产生扰动，这一信号的扰动就可以用来实现比特信号的独出。比特和比特之间还可以通过微波枪相连。当两个比特和枪是强偶合状态的时候， 两个比特就会通过枪发声相互作用。物理学家通过这一相互作用实现了两比特操作。在二零零九年， 基于超导比特和枪的藕盒实现了两比特的高保真度量子算法，使得超导量子计算得到了世界的广泛关注。从二零一四年开始，美国企业界开始关注超导量子比特的研究，并加入了研究的大潮中。 二零一四年九月，美国 google 公司与美国加州大学圣巴巴拉分校合作研究超导量子比特。使用 x 梦形式的超导量子比特， 它是一个九比特芯片，这个超导芯片的单比特和两比特保真度均可以超过百分之九十九。在 x 梦结构中，近邻的两个比特可以直接发生相互作用。 二零一六年，基于这个芯片实现了对氢分子能量的模拟，表明了其对于量子计算商用化的决心。二零一七年， google 发布了实现量子计算机对经典计算机的超越。量子霸权的发展难度。二零一八年年初，其设计了七十二比特的量子芯片，并着手进行制备和测量，这是像 无限量子霸权迈出的第一步。在 google 公司加入量子计算大战的同时，美国国际商用机器有限公司 ibm 于二零一六年五月在云平台上发布了他们的无比特量子新品，这种比特形式叫做 chandman 奇丹比特保真度可以超过百分之九十九，两比特保真度可以超过百分之九十五。 在 chandman 的结构中，比特和比特之间仍然用枪连接，使得起步线方式和 x 梦相比更加自由。 二零一七年， ibm 制备了二十比特的芯片，并展示了用于五十比特芯片的测量设备，同时也公布了对被二分子能量的模拟， 表明了在量子计算的研究上紧随 google 的步伐。不仅如此， ibm 还发布了 kissget 量子软件包，附近了人们通过经典编程语言实现对量子计算机的操控。除了美国 google 公司和 ibm 公司外，美国 mtl 公司和荷兰戴尔福特理工大学也和 合作设计了十七比特和四十九比特超导量子芯片，并在二零一八年的 ces 大会上发布，不过具体的性能参数还有待测试。美国初创公司日 gt 发布了十九比特超导量子芯片，并演示了无人监督的机器学习算法，使人们见到了利用量子计算机加速机器学习的曙光。 美国微软公司开发了 quantum developmentk 量子计算软件包，通过传统的软件产品归属速递欧就可以进行量子程序的编写。 在国内，二零一七年，中国科学技术大学潘建委研究组实现了多达十个超导比特的纠缠。二零一八年年初，中科院和阿里云联合发布了十一位量子比特芯片，保真度和 google 芯片不相上下，表明了我国在超导量子计算方面也不甘落后并迎头赶上。 同时，合肥本源量子公司也正在开发六比特高保真度量子芯片。南京大学和浙江大学也对超导量子比特进行了卓有成效的研究，在超导量子计算方面可谓是国内国外百花齐放，百家争鸣。

九张三号量子计算机又获得突破，这可能啊，是人类层级改变的基础科技，全世界也只有我们国家能够同时在超导量子计算和光量子计算这两个方向上都制造出先进的量子计算。 目前全球的几台先进的量子计算机，咱来做个对比哈。二零一九年九月，美国股公司推出了五十三个量子比特的量子计算机原型。旋铃木啊，大家可能有听过对吧？ 二零二零年，潘建委团队构建了七十六个光子量子计算机的原型，取名叫九章。就我们现在九章三号了吗？那时候应该九章一号。 那量子计算呢，是一种遵循量子力学规律来调控量子信息单元进行计算的新型计算机的模式。那九章呢，就是得名于我们古代的数学，专注九章算术。那这部书呢，就总结了战国秦汉时期的数学成就，那当时的这个九 主张一号呢？处理高斯波瑟取样问题的速度比当时最快的超级计算机快一百万亿倍。高斯波瑟取样是一个计算概率分布的算法，可用于编码和求解多种问题，需要极大的运算量。 按照酒庄开发团队给出的所求解消耗的时间是这样的啊，当求解五千万个样本的高斯波瑟取样时的酒庄一号需要多少啊？两百秒。而截止二零二零年世界 top 五百排名最快的超级计算机，日本那个赴月需要六亿年， 当求解一百亿个样本时，九章需要十个小时，而赴月需要一千两百亿年。等效来看呢，九章的计算速度比谷歌的玄陵墓快一百亿倍，并弥补了玄陵墓依赖样本数量的技术漏洞。那同时领先这个日本秋月呢，就 没法没法算了啊，那都不是一个层级的啊，那二零二一年呢，这个团队又升级了，研制出了一百一十三个光子的九张二号和六十六比特的组冲姿二号量子计算原型机，那使中国成为全球唯一在光学和超导两条线路都能实现量子优越性的国家。 这是目前全球在量子计算机发展出的两个方向，一个叫超导量子计算，一个叫光量子计算。虽说啊，全球，但也就只有极少数国家啊，能够研制超导量子计算机， 而在光量子计算领域，那由于难度大，困难多，美国也就是仅仅处于摸索状态啊，别的国家就更别想了啊。那可以说啊，光量子啊，我国是毫无争议的前列。咱谦虚点，这咱就不说第一了啊，那重点的，这次九张三号又升级了，将可操控的光子数 提到了二百五十五个，输出态空间维度达到了十的四十三次方，在处理高斯波瑟取样速度比上一代的九张二号又提升了一百万倍。其实从九张二号开始，国际上可操控量子比特数量上我们可以超越啊， 哎，也就只有我们能超越自己了啊。那你看，咱再回看啊，世界第一台计算机，用一万八千个电子管，占地一百七十平米，重达三十吨，庞然大物哈，那每秒钟也只有五千次的运算能力，那在现在看来微不足道，那当时简直破天荒啊，就曾经飞跃那种感觉啊， 但是呢，当时人啊，肯定想不到，那今天我们已经把计算机装到这个口袋里啊，手机里边非常小啊，运算能力却是当时的百万倍。你再看看如今传统计算机的算力已经发展到一个什么程度了？ 你就比如位于美国的橡树岭国家实验室超级计算机，前年在二零二年国际超算 top 五百榜单中，取代了日本的赴月，拔得头筹，得了第一了。但这个比较啊，这我国的超算已经遥遥领先了啊，这个咱就早就不参与他的排名了，他们排名他们第一啊， 他们永远第一。那我们就暂且用这个前沿超计算机作为参考啊，那这前沿计算机呢，他算力是每秒一点一百亿亿次， 那它的系统位于七十四个独立机柜，其中包括超过九千四百个 amd 的 cpu 和超过三万七千个图像处理器，就是 gpu 啊， 而一部普通笔记本电脑每秒可以进行的运算是几万亿次，那这个前沿计算机的运算速度是普通笔记本的一百多万倍。但是呢，他看 是大量使用现在最先进的 cpu、 gpu 来实现超级计算能力，而这超级计算机的计算能力其实就代表了现在半导体产业可以实现的巅峰算力。那我们用的九张二号量子计算机，算力比目前截止他这个前沿啊，还要快一亿倍， 一亿亿倍，哈哈，咱，咱别惊讶啊，还有更更牛的哈，就是现在这个九张三号，咱就举个例子啊，这九张三号一微秒可以算出的最复杂的样本，换这台前沿来算，他需要两百亿年， 哈哈，这个算力提升已经用突破啊，什么飞跃啊，这种词汇就无法形容了，可以说是划时代的，是算力层级的跳跃层级啊，跨层级的。也正是因为量子计算能够带来算力的跨层 级的声乐，所以量子计算机在计算速度对那个经典计算机已经实现了碾压式的超越。因此国际上把量子计算机实现算力就是你如果说真正的研制出了量子计算机了，那把它这种能力称为量子霸权。未来谁掌握了量子霸权技术，谁就有操控世界的能力和霸权。 但是霸权这个词是西方国家惯用的，这种思维啊，总是要压倒性的存在。那看看我们这次一带一路十周年的高峰论坛就能知道，我们倡导的是全球互联互通和和平发展的新思路， 这是过去人类历史上从来没有过的思路。就以前啊，都是大国博弈，我，我强大，我压迫你啊，你强大你，你强大不起来，那你就瘦着就弱肉强食那种年代。但现在呢，我们倡导的是全球一家亲的共同经济体的 格局，所以量子霸权对我们不适用。未来的量子科技一定是掌握在文明手中，而不是野蛮手中。 那么人类所掌握的量子计算机的光学和超导两个主要的路线有什么区别呢？你就比如我们九张系列，就属于光量子计算机，这是一种基于光的粒子作为载体的操控对象的量子计算机。 那光亮机身机的优势在于光子具有很好的相干性和稳定性，不易受到外界干扰，可以保持较长的时间量子的叠加态， 那光子可以实现高效率和高精度的单光子源，单光子探测器，多光子干射等等关键技术，那更重要的是光子可以方便与其他的物理系统进行偶合和交换信息，实现多平台的量子网络和通信，这就很好解决了通用的问题，就可以串联互通了。超 超导量子计算也有好处啊，就是量子比特可控性较强，拓展性也良好，可依托现有成熟的集成电路工艺等等这种优点。 但是劣势就显而易见了，因为要保证他的相关时间超导量子比特必须在接近零度的真空环境下进行运行，就必须依赖强大的低温制冷系统，就低温超导呗。 这里啊，就涉及到前面闹得沸沸扬扬的那个韩国，说他们实现室温超导就常温超导啊，结果，哎，那就是个笑话。那这也就说明了为什么常温超导在当时获得了那么多的关注的原因， 因为他是一个层级的突破，显然是没有实现的，目前人类，那当然如果试问超导技术能够突破实质性的进展的话，那么超导量子计算机如果可以摆脱依赖低温这个困难的话，也会迎来爆发性大发展，但是目前还没有办法，那么 目前传统计算机的发展已经接近他的物理极限了，那人类对计算能力需求是越来越大的，经典计算机已经无法满足一些复杂的大型的问题的求解， 目前最快的超级计算机也无法模拟一个含有几十个电子的分子的行为，也无法破解一些强大的密码系统，而量子计算机就可以突破这些限制，实现指数级的加速。哎，这就是所说的啊，量子计算机面前，世界没有秘密。 在科学界，算力呢，就是优势，超级计算机就是超级优势，那量子算力又碾压了经典计算机的超强算力，使其发生了质的变化， 这就为模拟超级复杂的对象提供了可行性，比如复杂的天气、地质、环境的变迁，都能够精确的模拟和预测。同样呢，也可以模拟银河系里几千亿颗恒星的运动，人类大脑中 中有八百六十亿个神经元也可以模拟，这就为人工智能、 ai 等领域的发展提供了无限的想象空间， 那流浪地球里边的 mos 也是分分钟搞定的事。量子计算是颠覆人类发展的科技，对于未来的应用和科技的先进性是无法想象的。当然，就目前来看，实现应用还早啊，还早，还是一个实验室中的一个产物。 但今天内容有点难懂啊，但是不妨你的点赞、收藏、转发和关注，那我们也应该庆幸的是啊，这项技术目前是我国领先的，没有让美国等等西方国家领先，就比如这个无眼联盟。哈哈，科技掌握在文明手中，能够称得上科技，否则就只能沦为霸权欺凌的工具。

经过研究，公关超导量子计算研究团队构建了六十六比特可编程超导量子计算原型机组冲之二号，比目前最快的超级计算机快一千万倍， 计算复杂度比谷歌的超导量子计算原型机悬铃木高一百万倍，使得我国首次在超导体系达到了量子计算优越性里程碑。

一九八二年，美国物理学家理查德费曼首次用量子体系取代经典逻辑门提出量子计算机的设想。到了一九八五年，英国物理学家德意琪提出了量子图灵机概念，量子计算机的构建思想越来越清晰。也在此时，学 界对于一个标准的量子计算机需要的三个基本模块已经达成共识。第一是基于量子效应的强大物理硬件体系，相当于量子芯片。第二 二是量子信息控制系统，也就是量子电路。第三就是要有量子算法。量子算法理论是科学家最早突破的部分。一九九四年，肖尔博士提出了大数因子分解算法，解决了经典计算机需要几十年才能破亿的古老数学难题。一九 九六年，格瑞夫提出优化的量子搜索算法，发挥量子并行计算优势，以算概率为减法，大大减少搜索次数。这两项算法基本将量子计算的优越性体现的淋漓尽致。然而，软件有了 硬件却成了大难题。对于人类现有的科技水平来讲，实现对量子比特的操纵非常困难，对于多个量子比特的有效测量和规模化集成更是难上加难。也正因为如此，这被量子比特的方式可以说是百花齐放。 ibm、 谷歌、英特尔在 钻研量子超导计算。靠口罩发财的霍尼维尔领衔离子警技术，日本和加拿大的公司领衔量子推活技术，微软另辟西径，搞了拓普量子计算。 最后就是咱们中科大潘建伟主导的光量子计算机。最新九张量子计算机在高斯波瑟取样任务的快速求解上，比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。当然，这也不能说明这就是量子计算机的最优解。 现有中美两国的量子计算机硬件实现途径不同，解决的量子计算问题也不同，现在都还是原型机的水平。对于商用量子计算机的探索，不仅考验一个国家的科研水平，更考验国家综合国力，今后必然将成为科技大国下一个争夺的桥头堡。

量子计算机发展到哪一步了？二零一九年， google 推出了包含五十三个量子比特的玄陵墓，并宣布实现量子霸权。仅一年后，中科大发布光子平台九张七十六个光量词，仅用一分钟就能完成超算赴约一亿年的计算量。 次年， ibm 推出了一百二十七量子比特处理器应，但实际上，多比特并不等于可以直接应用，单纯的快也并不意味着霸权。老僧要先说两个基础事实，一、量子计算不可能解决所有的问题。二、作为计算机，他还太初级了。 如果将量子计算放在经典计算的历史坐标中，大概相当于上世纪五十年代的水平。一九四六年，人类第一台计算机埃尼亚科诞生， 当时使用的还是电子管。直到一九五六年，二十世纪最伟大的发明晶体管才出现，催生了此后半道题产业长达半个世纪的繁荣。 fm、 英特尔、古狗等巨头纷纷崛起。时至今日，芯片制成依旧是尖端科研的必争之地，而量子计算机现在是在这里， 那么他又为何如此值得关注呢？一九八一年，二十世纪最具传奇色彩的物理学家、诺贝尔奖获得者 retar 的飞曼，在他的报告计算机模拟物理学中提出了一个大胆的假设，原子结合基因序列 这些原本就千变万化、初始之不明的问题，如果单纯依靠计算无法解决，那么直接用量子来模拟可不可以呢？ take the world from another point of view。 把量子物理 加入计算，用魔法打败魔法。这一思想拉开了此后四十年人类对量子计算机探索的序幕 在这里就可以发现，量子计算机诞生的初衷就是解决一些经典计算机解决不了的混沌台的问题，而不是代替经典计算机这块超级计算器。 可以说两者解决的问题有交叉，但擅长的方向却不同。这其中，量子计算在特定问题上的绝对优势就被称作量子优越性。 优越性要如何实现？回答这个问题，首先要先来认识一下量子计算机最基础的单元，量子比特。在经典计算机中，一个比特的状态要么是零，要么是一。而量子比特既可以像经典比特一样为纯态的灵活一亿，也可以是 这两个经典比特的叠加肽。用数学的思维来理解，可以将量子比特表示为一个部落和球面加深。量子，正朝北极为零，正朝南极为一，那么其他任意位置就是叠加肽。在这里，他既有一定概率是零，也有一定概率是一。 在没有确切的结果出现前，可被认为同时是零，也同时是一，那么一个量子比特就同时是两个经典比 的叠加肽，两个就是四个，四个就是十六个。以此为例，经典比特在某一特定的时刻，就只能处于二的四次方组合中的一种，即十六种可能性中的一个。 但对于处于叠加胎的量子来说，则可以认为是同时处于这十六种组合中的所有状态。以此类推，只要二十个量子比特，就可以同时表 是一百多万种不同的组合。如果这是在寻找一组基因序列的最优结，可以想象，经典计算机的解法就是使用蛮力的排除法，一次尝试一百万种可能，在经历漫长的计算后才能穷尽答案。 但量子计算机则可以制备一个叠加了所有可能的初始量子胎，通过量子干涉操控放大引起正确答案的信号。 只需要大约千分之一的操控次数，就可以使得最终量子态包含引起正确答案的信号，而错误答案的信号被大大减弱，从而可以通过观测得到正确答案，这就是量子计算的绝对优势。 说到这里，理论是可行的，但真正落实起来却非常复杂，主要原因在于量子比特实在是 太难操控了，要在一台庞大的机器里捉住量子，并让他按照我们想要的方式运动，就像教大象挥舞绣花针。目前我们常听到的超导电路、离子井光、量子拓扑等，其本质上都是一套物理控制系统， 谁能成为未来的通用量子平台仍在探索之中。那么聚焦来看，在超导电路这一方案中，想要达成质的飞跃还有两大挑战，多比特和高精度。先说多比特，按照二的指数计算，现在的比特数量还不够多吗？答案确实是不够。 先来看一张图，目前比特数最高的其实是加拿大公司第一位部，高达五千多个，但他的原理是利用了量子遂川效应解决特定问题，并不进行数字计算，暂不讨论。而世界上诸多科研 团队在近五年都取得了从五十到百级的重要进展。客观来看，当超导电路拓展方式被证实后，数量会进入增长期，但同时也带来了新的问题，由于操控精度不够，数量增加的同时错误也会累积， 经多次运算后，最终包含的有效信息较少，反而丧失了量子有远性。在现有的量子纠错方案下，让一个物理比特维持准确计算，甚至需要另外一千个来纠错，这也是量子计算机难以投入真正使用的关键因素之一。 据估算，率先将量子比特数量提升至千级，将是取得下一步突破的重要节点。另一个难点，高精度。如果真正见过一台超导量子计算机，就会发现它更像是一个被包裹在冰柜里的大型实验设备。 拆开来看，在一层层导线包裹的最下端，指甲盖大小的地方才是量子芯片。而这一切都是因为量子比特实在太难操控，太脆弱了，造成电流、热量甚至遥远宇宙中一颗突然爆炸的星星都会让它失控，然后产生错误。 为了攻克这一难题，近日，达摩院量子实验室通过设计及 flaxonum 的量子处理器，实现了百分之九十九点九七的平均单比特门保证度和百分之九十九点七二的两比特门保证度， 取得了此类比特全球最佳水平，并在 aps march meeting 二零二二上公布了相关成果。从研究上看，相比于当前主流超导量斯比特， tresma droxiane 更加接近两能级，因而可是现在 更高的操作精度。论文中提到，川 cemon 是将电路中有无电子震荡激发的两种状态作为量子比特的零合一。 fax 二两则是将一个超导环形电路中的磁通量子作为比特的零合一， 后者不仅对电噪音不敏感，而且对电介质损耗的敏感度也大大下降，因此对外界干扰有更强的抵御性。 在这一基础上，研究团队首次在 flax 二两里实现了比特初始化读取等重要操作，并克服了两比特们错误率高的瓶颈，通过提高门操作速度，实现了超越以往的高保真度。未来可拓展的高精度将是持续探索的关键。 回头看，从一九五零年到一九八零年，第一台计算机艾尼亚科刚刚诞生时，十五分钟 就会烧掉一根真空管，但从庞然大物到小巧的 pc 机也不过短短三十年。那么，下一个有生之年会是量子时代吗？未来谁都无法预测，但适应变化和挑战 永远是科技的宿命。我是老僧，一个隐居达摩院的清洁工，下期再见喽！

美国知音说九张速度遭质疑，请了一位专家进行了技术性的讨论。这位专家是一位真正的业界大牛，加州大学教授约翰马蒂尼斯。 二零一九年，谷歌的团队在马蒂尼斯教授的领导下，第一个宣布实现了量子优越性。这台量子专机叫做旋铃木 sinkball， 用的实验体系是超导线路处理的线，问题是随机线路取样。 random secret something 现在我们来看对九章的质疑究竟是什么。 马蒂尼斯教授说，骨骼的计算机对错误十分敏感，不允许任何一个错误发生。所以这是一个很有利的证据，表明他们的计算机的复杂性是正确的。而中国的计算机即使有错误，似乎仍然可以有信号出现。马蒂尼斯 教授表示，目前计算机界的很多同行正在对中国的九章进行进一步讨论，这以最新的量子优势的论证工作尚无定论。他说，九章的另一个明显劣势在于，他不是一个可编程意义上的计算机。 乍看起来，马蒂尼斯似乎提了两个问题，第一个是结果可信度的问题，第二个是可编程的问题。但我很奇怪他为什么会提第一个问题，因为这个问题对专业人士来说是常识。九章跟全铃木判断自己结果正确的办法是一样的， 都是对较小的体系跟经典计算机的结果对照，确认两者一致，然后把体系扩大到经典计算机算不动的程度。这时我们相信量计算机的结果仍然是正确的。因此，九章和旋律木结果可信度相同。马蒂尼斯当然 知道这个答案，他自己在旋律目中就是这么做的，那他为什么还要问呢？我的科大师弟，北京量子信息科学研究院研究员金仪容博士，是一位活跃的量子信息研究者和科普作者。跟他交流以后，我明白了这是怎么回事。美国知音没有准确的表述马蒂尼斯的问题。 玛尼斯实际说的是将来的通用量子相机一定要能够纠错，而纠错就需要可编程，九章不能编成，所以他不能纠错，将来做不到通用。 也就是说，他这两个问题实际上是一个问题。美国知音听不懂这么专业的问题，所以把马蒂尼斯话转了个乱七八糟。

祖冲之号和九章有什么不同？祖冲之号跟二零右检谷歌的旋铃木、星空棒一样，用的是超导电路。而二零二零年十二月刷屏的九章用的是光学， 然后组成之后用的物理操作，是二维的量子随机行走。所谓随机行走，就好比醉汉走路，每一步都走一个完全随机的方向， 跟以前的历史无关。为什么要用这个呢？因为二零零九年和二零一三年，量子集团理论家安德鲁菜尔兹等人证明了利用连续时间量子行走可以实现通用。量子集团 还有基于随机行走的量子算法，要超越船头算法，至少需要二维，也就是说需要在一个平面上走，而不是在一条 线上走。所以潘金伟、朱小波等人做了这个二维的量子随机行走，然后具体而言，组成之后实现了六十二个量子比特。为什么是这么个数字？ 因为原本是八乘以八的二维格子，应该有六十四个量子比特，但这六十四个钟坏了两个，所以最后是六十二个。 五个的悬铃木也是如此，设计的，是五十四个，但做出来以后发现坏了一个，所以得到五十三个。上图是组冲之后的示意图， 当我仔细看了以后，发现一个问题，每个方向是七个鸽子，而不是八个。这不是七乘七吗？怎么是八乘八呢？我去问相关的研究人员，回答是量子比特，是那些交叉的十字，而不是白色的圆圈。这个图实在是太坑人了。 一位师妹的评论是伤害性不大，欺骗性极强。那么这些白色的圆圈是干什么的？回答是他们将控制线和读数线引到下层的印刷电路板上，简称坑。果然是坑人的坑。 好吧，让我们回来谈组成之后的用途。其实他目前还没有任何特别的应用。他的意义是实现了一种通用量子计算的原型机。也就是说通过这种量子随机行走的方法。原理上什么任务都能做，这跟九章是不同的， 九章只能干一件事，叫做拨四字取样波桑 supreme。 但这一件事就做的特别快，比现有最强的超级计算机快一百万一倍。这叫做专用量计算机， 而是从之后和旋律木属于通用量子算计。他们原则上什么都能干，只是不一定干的很快，只需要进一步发展。

然后以来 x 网这面就是特别重要的一点，就是这个，这个呃，苏北很大啊，其实就是总体来讲就是现在量子计算，可以认为啊，最重要的方式呢，就是属于这个超导量子计算。 什么叫超导量子计算呢？就是我们大家都知道超导体啊，就是有可能如果你搞一个金属的这个位置，然后如果你非常接近绝对零度的时候，那其实测出来他的电阻，他就一再亏失零， 然后实际上会发现呢，就是还有一个现象，就是如果你搞两个金属在这个地方，然后你给他通电，然后他都是接近绝对零度都达到超导体，发现这两个超导体之间呢，会有一个相对来讲量子碎出来的一个效应， 然后通过这个方式呢，然后你可能包括调整啊这个里面的一些具体的参数，你可以通过这个碎船来造一些不同的量子比特啊，这个其实是啊非常重要的一种啊，现在来讲实现这个量子计算的一个方式，就是用这个苏北卡特啊超大量子计算呢，其实现在可能包 和大家听到的一些量子计算机，比方说像啊，我今天的这个这个，呃，这个课上我会提到，比方说像接下来会讲 ibm 的一些量子计算机，然后 google， 然后包括像我们国家像中大友的这个所谓组成之后对像这些的话呢，其实都是用超导量子计算的这个方式来实现的。 在这个中间其实也会有一些啊，各种各样不一样的一些讨论。比方说可能大家想象说这个，我们现在啊这个笔记本电脑啊，手机用的其实全都是可能基于故意的这样的一些半导体，那其实很自然的是说，我们现在这个半导体的这些制成是不是可以去发展到量子里？ 所以可能也会有人讨论一些规矩的一些超导量子比特，包括可能还有一种技术叫这个 nvct， 就是金刚石色心，这个其实可能跟核磁共振就比较关系密切。对这个但是这些技术来讲，其实可能比较大的一个问题就是除了超导量子计算，还有就是说离子井这个相关的技术了啊， 剩下的技术其实能做的量子比特数量都比较少，恐怕都做不到二十个以上，对一个井的话，现在可能做个三十个是可以的。然后这个啊，像这个超导量子计算啊，就是比方说 ibm、 google 啊，现在一般认为是做到上百个是肯定没有问题的，现在应该是具体来讲是几百，只是说就是能做到几百，可能 一百、两百，或者说四五百，这个可能都还是要看大家具体来讲去慢慢做。但是一般认为这个超导量的计算，其实做到几百就是不超过一千，其实是问题是不大。就是目前来讲， 然后像离子井的这个技术的话呢，想做超过一百的话，可能就比较有难度。所以离子井方面的话，其实大家主要是在可能现有的几十个量子比特上面，我们可能做的比较精细，就是像类似这种。 对，然后最后这一列就是这个 futons， 就是光子啊，其实像亮子光学也是一个一门很重要的一个学问，就是通过一些光学的器件 找来实现一些量的计算的功能啊，但是这个方面的一个问题呢，就是说我们其实像基于啊这个离子井的一些计算的方式，还有就是说这个基于超导量子计算的这样子一个方式，他其实还是比较数字化的，就是说跟我们可能讨论经典计算啊，一个比特啊，一个门啊什么的，就是这些是比较接近的。 但是呃，光量子计算的话呢，其实他跟他不是很低质头，就是更像模拟计算的一些啊方式，包括可能光学系统的话，他可能未必可以实现通用量子计算的一些功能，但是也许解决一些特定的问题呢，是比较快的 啊，其实比方说像我们国家，像中科大的团队呢啊，潘建伟院士的团队呢，其实就是比方说他们的组通之号啊，其实就是这样子的一个啊，超导量子计算啊，但是他们还有另一个系统叫九章号，我不知道各位同学听没听？这个九章号就是一个光量子计算的一个芯片，他可能作为一个很特定的一个问题，叫 多色彩样，或者说可能啊类似就是一些啊啊啊粒子彩样的一些问题。对，但是这个的话其实就比较技术了，我们可能也就啊不会在这个课上进行展开的一个讲解， 发现这个大家感兴趣的话，其实主要基本上就是呃这个，呃呃呃，这个就是超导量的计算是现在最主流的，然后可能就是 scale belay 造量的比特数量呢，是比较有优势的一种方式， 此景呢也是有很多人在做的，然后相对来讲这样子比特数量也可以达到一个不错的一个规模，然后相对来讲性能比较稳定。其他的方式呢？可能啊还是在成长中， 但是因为总体来讲其实就是像早期就是包括研究半导体，这个半导体中间啊，包括可能就是有场校园晶体馆，然后包括各种各样不同的场校园晶体馆，然后各种赛，然后大家不断的去呃改变这个里面一些具体的一些实验的一个方式。但是可能大家比方说学计算机的话，恐怕大家可能最主要的也只是变， 不是说搞清楚各种各样的赛的之间的一个区别。那么我们这个课呢，其实也是属于一个比较顶层的一个课，但是我觉得毕竟作为一个呃介绍性的课呢，我们告诉大家可能会有这样子的一些啊，计算实现的一个方式呢，然后是跟各位同学进行一个了解。那这个的话，其实呃就是总体来讲，现在可能啊量子计算可以去 做的一些方式，包括这个也是一个图，就是说可能啊稍微更详细的去讲了一些现有的一些参数。对，那么我们可能稍微具体来看一看啊，就是我们讲到是说有一些不同的一些方式，后来实现啊一些量词计算的一些功能。 但是这个量子计算现在比方说大家可能都知道这个领域发展很快，但是好像又没有说特别快，直接把所有问题都解决掉。那这个里面主要的问题是什么？其实最主要的问题啊，还是说这个量子计算，他这个计算的精度是有有比较大的一个问题，就是大家可能比方 说想象说一个你搞，你搞一个，比方说猫赛，就是这个金属氧化，我厂像半呃半超体金体管这样子一个东西，它基本上错误率大概是十的负十四层，基本上就是你可能知道算了，他整个这个原件都坏了，你可能都很难去说这个这个东西中间会有计算错误。 但是现在这个量子这个计算的话呢，他其实这个错误的比率就比较高了，其实就是基本上像可能十年前的话呢，这个芯片呢，基本上错误率，可能这个可能这个所谓的错误就是你做一个最基本的一个逻辑运算，你可能经典比方说是像于霍飞这种 啊量子，我们在这门课我们也会讲什么叫一个比较基本的一个量子计算的一个一个门，对，但是你基本上如果你做一个门，他的错误率都是百分之几啊，那你可想而知的话，恐怕量子量子计算机应该是没有什么用的，因为就是你基本上你可能算个几十步，你这东西就错的离谱了，基本上是这个恐怕 是不太行，但是不管怎么样说的话，其实还是大家可以看到，就是说我们啊从实验物理的角度来说在不断的去提高，就是说啊，相对来讲啊，这些量子啊，基本的一些门运算的一些错误率，基本上可能最早是百分之几，然后千分之几，现在基本上你可能做一些特定的门 啊，基本上可以做到九十九点九，应该是差不多，就是可能小于千分之一是是差不多的，就是我觉得基本上是双量子比特门的话，做到这个错误率呢？是是比较可观的，其实。

说说量子计算机，理论上有很多种类型的量子计算机，其中目前研究最多也最有前途的有两种类型，分别是超导量子计算机和光量子计算机。 中国的祖冲之号量子计算机和美国的玄铃木量子计算机都是超导量子计算机，中国的九张量子计算机是光量子计算机。 中国同时在超导量子计算机和光量子计算机领域布局，而且都实现了量子优越性，在处理特殊问题方面，性能远远超过世界最先进的超级计算机。中国甚至开发出了量子计算机的专用操作系统。在量子计算机生态领域提前布局。 量子计算机的产业化发展必然需要量子芯片，量子芯片也会同传统芯片一样成为 市场上的重要角色，而量子计算机已经实现了量子优越性，那量子芯片能帮中国跳过传统芯片的困局吗？可能有些朋友还不太了解，虽然量子计算机在处理一些特定问题时能实现优于传统超级计算机的能力， 但并不是处理所有问题都超过传统计算机多数的通用计算机功能。现在的量子计算机实施起来极其费劲，甚至无法实现， 已知的那些实现了量子优越性的量子计算机，全都只是解决了特定的问题，并不是真正意义上的通用量子计算机。 实现量子优越性的那几台量子计算机充其量也不过几十个量子位，一百多个就算很厉害了，将来真正走向市场的量子计算机至少也得一千个以上的量子位， 未来的通用量子计算机将会拥有百万个以上的量子位，而手机芯片上早就已经超过上亿个晶体管了。由此可见，现在的量子计算机还处于非常原始的状态， 并没有形成最终标准，至少未来五年内是无法实现量子计算机通用化的。换句话说，指着量子计算机实现逆袭言之过早， 就算未来几年能把量子计算机推向市场，其产量也远远比不上传统计算机。 用量子芯片实现逆袭并不像想起来那样简单，但是随着量子芯片技术的不断提高，量子计算机正式推向市场，甚至实现通用量子计算机也不是遥不可及的。现在的量子芯片技术正在突飞猛进的改进迭代中，而 作为量子科技的弄炒儿，中国在量子芯片领域的研究并不比发达国家差，而且还有自己独到的优势值得世界借鉴。那量子芯片到底能不能帮中国摆脱对光刻机的依赖呢？或者说量子芯片的生产需要光刻机吗？

中国首条超导量子芯片生产线位于安徽合肥，于二零二二年一月投入运营。 在过去的一年里，该生产线陆续导入了二十四台量子芯片生产相关的工艺设备，孵化出了三套自研的量子芯片专用设备，生产了一千五百多个批次流片试制的产品， 交付了多个批次的量子芯片以及量子放大器等产品。最新研发的量子芯片正在国产。超导量子计算机悟空中调试，整机将在不久。后面是合肥本源量子的总经理张辉表示， 此次推出的最新产品悟空芯片的比特位数相高于六十四比特，目前 ibm 做到四三三比特，谷歌做到七十二比特。理论上， n 个量 量子比特位数的存储能力相当于二的 n 次方个经典计算机位数，但量子芯片和经典计算机芯片的算力不能直接对比。量子计算机 处于从研发开始转向工程化的阶段，本源最主要的责任不只是在于科学研究，更重要的是做工程化的量子计算机。从硬件方面来看，相较于 ibm、 谷歌等领先团队， 本原量子在国内有一定优势，但在量子计算赛道上相对落后一些，因为其中涉及到很多工程化的问题。 合肥本原量子是中国第一家量子计算公司，由中科大孵化而来，团队成员早在二零零三年前后开始研究量子计算科学。截至目 目前，本原量子已研发出多台中国量子计算机，并成功交付给用户使用，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和中科大潘建委院士团队研发的九张光量子计算机路线不同， 本原量子目前主打电学体系，包括两条路径，一条是超导，即 ibm、 谷歌现在主推的路线。另一条是英特尔在主推的 cmos 工艺，或者叫半导体量子点技术。