【导语】量子力学的革命性进展为“计算”领域开辟了新纪元。随着经典计算机逼近物理极限，量子计算机正逐步从理论迈向实践，引领密码学、材料科学、生物医药、人工智能等领域的深刻变革。值此世界量子日之际，我们深入探讨量子计算的奥秘与挑战。从制造难度、技术路线之争到伦理考量，量子计算不仅是科技的飞跃，更是对未来社会形态的重新构想。本文由北京量子信息科学研究院研究员金贻荣撰写，旨在揭开量子计算的神秘面纱，共筑技术生态新未来。
量子力学的诞生和发展，为“计算”提供了新的可能性，开辟了新的维度。当经典计算机遭遇物理极限，基于量子叠加态与纠缠特性的量子计算机，如今正逐步从理论走向现实，撬动密码学、材料科学、生物医药、人工智能等领域的根本变革。今天是世界量子日，让我们一起揭开量子计算的神秘面纱。
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01 制造量子计算机，敢问“难”在何方？
量子计算的发展最早可以追溯到上世纪80年代。经过几十年的发展，在多个领域已经展现出巨大的潜力，不断创造着算力“奇迹”。日前，中国科学家在超导量子计算领域取得重大突破，成功构建出具有105个量子比特的“祖冲之三号”超导量子计算原型机，并通过随机线路采样（RCS）实验再次刷新量子计算优越性纪录，处理“量子随机线路采样”问题的速度比目前国际最快的超级计算机快千万亿倍。
中国科学技术大学教授、“祖冲之号”量子计(jì)算(suàn)总(zǒng)师朱晓波（左一）与学生讨论实验结果。新华社发（代蕊摄）
但量子计算机的研发是一项复杂的任务，在实际应用中还面临着许多挑战和限制：
第一，操控和测量要“精益求精”。量子比特是量子信息的基本单元，也称“量子位”。量子计算机要求对很多量子比特进行独立的操控和测量，而对单个量子态的精确操控和测量本身就是一件很富有挑战的事情，直到20世纪末我们才开始建立相关的工具和能力，且目前制造和维护大规模量子计算机的技术难度极大、成本极高；
第二，多学科交叉须“全球合作”。量子计算机实际上是一个非常复杂的系统性技术，涉及到力学、计算机科学、材料科学等多学科交叉，几乎不可能由单一个人或团队独立完成，必须是一个全球合作的协同事业；
第三，材料和工艺应“集腋成裘”。制造量子计算机涉及到大量材料和工艺的探索和进步，而材料和工艺需要通过大量的时间积累。
02 超导量子VS光量子，谁更city？
光量子计算与超导量子计算是当前量子计算领域的两大主流技术路线。它们都能验证(zhèng)量(liàng)子(zi)优(yōu)越(yuè)性(xìng)，但(dàn)属(shǔ)于(yú)不(bù)同(tóng)体(tǐ)系(xì)，在(zài)运(yùn)行(xíng)环(huán)境(jìng)、技(jì)术(shù)挑(tiāo)战(zhàn)和(hé)应(yīng)用(yòng)场(chǎng)景(jǐng)等(děng)存(cún)在(zài)显(xiǎn)著(zhe)差(chà)异(yì)。
以(yǐ)祖(zǔ)冲(chōng)之(zhī)三(sān)号(hào)为(wèi)代(dài)表(biǎo)的(de)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)，采用(yòng)超(chāo)导(dǎo)量(liàng)子(zi)电(diàn)路中(zhōng)的(de)宏(hóng)观(guān)量(liàng)子(zi)态(tài)作(zuò)为(wèi)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)，具(jù)有(yǒu)良(liáng)好(hǎo)的(de)可(kě)编(biān)程(chéng)性(xìng)，是(shì)目(mù)前(qián)认(rèn)为(wèi)最(zuì)有(yǒu)前(qián)景(jǐng)的(de)通(tōng)用(yòng)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)实(shí)现(xiàn)方(fāng)案(àn)之(zhī)一(yī)。
以(yǐ)九(jiǔ)章(zhāng)为(wèi)代(dài)表(biǎo)的(de)光(guāng)量(liàng)子(zi)路线(xiàn)利(lì)用(yòng)光(guāng)子(zi)的(de)相(xiāng)干(gàn)性(xìng)进(jìn)行(xíng)“计(jì)算(suàn)”，本(běn)质(zhì)上(shàng)是(shì)一(yī)个(gè)光(guāng)路，不(bù)具(jù)备(bèi)可(kě)编(biān)程(chéng)性(xìng)。尽(jǐn)管(guǎn)现(xiàn)在(zài)的(de)光(guāng)量(liàng)子(zi)线(xiàn)路中(zhōng)可(kě)实(shí)现(xiàn)有(yǒu)限(xiàn)的(de)调(diào)节(jié)能(néng)力(lì)，但(dàn)距(jù)离(lí)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)机(jī)所(suǒ)要(yào)求(qiú)的(de)逻(luó)辑(ji)门(mén)级(jí)可(kě)编(biān)程(chéng)性(xìng)甚(shén)远(yuǎn)，就(jiù)目(mù)前(qián)来(lái)说(shuō)，是(shì)无(wú)法(fǎ)实(shí)现(xiàn)通(tōng)用(yòng)量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)的(de)，或(huò)许(xǔ)可(kě)解(jiě)决(jué)某(mǒu)些(xiē)特(tè)定(dìng)问(wèn)题(tí)。
这(zhè)是(shì)光(guāng)量(liàng)子(zi)干(gàn)涉(shè)实(shí)物(wù)图(tú)：左(zuǒ)下(xià)方(fāng)为(wèi)输(shū)入(rù)光(guāng)学(xué)部(bù)分(fēn)，右(yòu)下(xià)方(fāng)为(wèi)锁(suǒ)相(xiāng)光(guāng)路，上(shàng)方(fāng)共(gòng)输(shū)出(chū)100个(gè)光(guāng)学(xué)模(mó)式(shì)，分(fēn)别(bié)通(tōng)过(guò)低(dī)损(sǔn)耗(hào)单(dān)模(mó)光(guāng)纤(xiān)与(yǔ)100超(chāo)导(dǎo)单(dān)光(guāng)子(zi)探(tàn)测(cè)器(qì)连(lián)接(jiē)。新(xīn)华(huá)社(shè)发(fā)
即(jí)便(biàn)二(èr)者(zhě)均(jūn)演(yǎn)示(shì)了(le)所(suǒ)谓(wèi)量(liàng)子(zi)优(yōu)越(yuè)性(xìng)，不(bù)过(guò)我(wǒ)们(men)仍(réng)应(yīng)保(bǎo)持(chí)清(qīng)醒(xǐng)：它(tā)们(men)均(jūn)不(bù)能(néng)解(jiě)决(jué)具(jù)体(tǐ)问(wèn)题(tí)。量(liàng)子(zi)计(jì)算(suàn)距(jù)离(lí)解(jiě)决(jué)实(shí)际(jì)问(wèn)题(tí)——实(shí)现(xiàn)“商(shāng)用(yòng)量(liàng)子(zi)优(yōu)势(shì)”，还(hái)有(yǒu)一(yī)段(duàn)距(jù)离(lí)，很(hěn)多(duō)人(rén)认(rèn)为(wèi)这(zhè)个(gè)距(jù)离(lí)是(shì)三(sān)到(dào)五(wǔ)年(nián)。跨(kuà)越(yuè)这(zhè)个(gè)gap的(de)关键不(bù)是(shì)量(liàng)子(zi)纠(jiū)错(cuò)，而(ér)是(shì)如(rú)何(hé)让(ràng)量(liàng)子(zi)和(hé)经(jīng)典(diǎn)协(xié)同(tóng)融(róng)合(hé)计(jì)算(suàn)，推(tuī)动(dòng)融(róng)合(hé)计(jì)算(suàn)方(fāng)法(fǎ)和(hé)工(gōng)具(jù)的(de)进(jìn)步(bù)，推(tuī)动(dòng)应(yīng)用(yòng)驱(qū)动(dòng)的(de)算法发展，推动量子(zi)硬(yìng)件(jiàn)的(de)不(bù)断(duàn)进(jìn)步(bù)。
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03 量子计算时代的伦理考量
量子计算所将带来的伦理和道德挑战是必须要考虑的。量子计算是新鲜事物，目前相关的法律法规和国际公约是几乎空白的。如果它能够解决某些棘手问题，比如破解密码，不仅会成为大国制衡的秘密工具，还有可能被别有用心的黑客或犯罪组织团体利用，或导致技术滥用、个人隐私威胁等。这需要我们去思考如何确保技术进步与社会福祉的和谐发展。
量子计算机的真正价值，不仅在于超越经典计算机的速度竞赛，而是有望开启全新的计算范式——这需要科研机构、产业界和公众共同参与，构建技术生态。
作者：金贻荣 北京量子信息科学研究院研究(jiū)员(yuán)，博(bó)士(shì)生导师
策划：阎冬 翟国庆
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