2024年8月，谷歌發(fā)表論文宣布在量子計(jì)算領(lǐng)域取得重大突破，僅一個(gè)星期后，美國(guó)政府就強(qiáng)化了對(duì)中國(guó)量子計(jì)算的出口管制，與量子計(jì)算相關(guān)的一切——從設(shè)備、組件、材料到軟件和技術(shù)——都不許向中國(guó)出口。

      量子計(jì)算已成為全球科技競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高地，在關(guān)鍵設(shè)備的禁運(yùn)和技術(shù)的重重封鎖下，中國(guó)科研工作者們還是以驚人的速度追趕并縮小了與國(guó)際先進(jìn)水平間的差距，并在一些重要領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了自主化突破。

      但不可否認(rèn)的是，差距依然存在，我們須保持清醒的認(rèn)識(shí)和緊迫感。量子計(jì)算不僅將重塑全球信息技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，也將對(duì)世界經(jīng)濟(jì)、國(guó)家安全戰(zhàn)略乃至人類社會(huì)的未來產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。世界正在為迎接一個(gè)超大算力的量子時(shí)代做準(zhǔn)備，當(dāng)技術(shù)壁壘的高墻難以撼動(dòng)，我們能做的就是扎下根來。

2024年12月9月，谷歌向市場(chǎng)拋出了一顆重磅炸彈，其最新發(fā)布的量子計(jì)算芯片“柳木”（Willow）可以在5分鐘內(nèi)，解決一臺(tái)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)大約10的25次方年才能解決的問題。而比性能上的突破影響更為深遠(yuǎn)的，是谷歌在Willow芯片上解決了一個(gè)更重大的課題，實(shí)現(xiàn)了低于表面碼閾值的量子糾錯(cuò)。盡管這些技術(shù)名詞對(duì)普通公眾來說可能顯得陌生，但它們確實(shí)為未來建造更大、更復(fù)雜的量子計(jì)算機(jī)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

這一消息發(fā)布后，甚至讓比特幣的價(jià)格一度出現(xiàn)大跌。雖然這一擔(dān)憂有些過于“超前”了，但它確實(shí)也反映了這樣一個(gè)事實(shí)，那就是隨著摩爾定律逐漸逼近物理極限，傳統(tǒng)硅基計(jì)算機(jī)性能的提升速度已經(jīng)顯著放緩，作為下一代計(jì)算技術(shù)的量子計(jì)算，如今已經(jīng)成為全球各國(guó)和各行業(yè)關(guān)注的核心焦點(diǎn)，甚至成為大國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)的新戰(zhàn)場(chǎng)。

第二塊里程碑

2019年，谷歌高調(diào)宣布其已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”（Quantum Supermacy），在進(jìn)行一項(xiàng)名為隨機(jī)線路采樣（Random Circuit Sampling，RCS）的任務(wù)中，量子計(jì)算機(jī)只花了200秒就解決了問題，而對(duì)同樣的問題，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)卻需要花費(fèi)一萬年的時(shí)間來解決，證明了量子計(jì)算機(jī)在處理特定領(lǐng)域的問題中，相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)具有顯著的優(yōu)越性。

谷歌使用的“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)

為什么量子計(jì)算機(jī)能如此高效地完成任務(wù)，需要先理解其背后的原理。

假如現(xiàn)在有一個(gè)復(fù)雜的、四通八達(dá)的管道，而我們想要知道把水同時(shí)從所有入口灌入網(wǎng)絡(luò)后，在所有出口的流量分布會(huì)是什么樣子。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的做法就是逐點(diǎn)地去模擬“水的流動(dòng)”，先把管道的網(wǎng)絡(luò)圖在電腦中逐段拆解、再用流體力學(xué)公式去精確計(jì)算每一段管道里可能的流量、壓力、干擾和湍流…一旦管道的數(shù)量和分支大幅增長(zhǎng)，所需的計(jì)算量就會(huì)爆炸式地增長(zhǎng)，讓模擬變得極其耗時(shí)。

而量子計(jì)算機(jī)的做法，就是直接搭建一個(gè)真實(shí)的管道，往里面實(shí)際灌水，最后在出口處測(cè)量流量的分布。

谷歌的隨機(jī)線路采樣任務(wù)可以看作上述管道類比的量子版應(yīng)用，這里的“四通八達(dá)的管道網(wǎng)絡(luò)”對(duì)應(yīng)隨機(jī)量子電路中錯(cuò)綜復(fù)雜的量子門和連線方式。由于量子計(jì)算機(jī)本身是基于真實(shí)世界的量子力學(xué)規(guī)律構(gòu)建的，因此它們能夠更自然、更快速地處理這些問題，不需要額外“解方程”就可以得到答案。

這就是量子計(jì)算的其中一種應(yīng)用，量子計(jì)算以獨(dú)特的量子位和量子態(tài)及其轉(zhuǎn)換，加速數(shù)據(jù)搜索和大整數(shù)分解，可以獲得超高性能的信息處理能力。它或許不一定能讓我們打游戲變得更流暢，但在現(xiàn)實(shí)中有許多復(fù)雜的問題，諸如發(fā)現(xiàn)新藥物、設(shè)計(jì)先進(jìn)材料、優(yōu)化供應(yīng)鏈、模擬氣候、破解密碼、機(jī)器學(xué)習(xí)等，如果使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)，則需要消耗大量的算力進(jìn)行運(yùn)算，而利用量子算法可以提供一個(gè)更為高效的解決方案。

然而，盡管量子計(jì)算已經(jīng)展現(xiàn)了巨大的潛力，但它們距離廣泛的應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

2020年，谷歌曾在其網(wǎng)站上發(fā)布過一張“路線圖”，勾勒了量子計(jì)算從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模應(yīng)用之間需要幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

在這份路線圖上有六個(gè)重要的“里程碑”，排在首位的是“超越經(jīng)典”（Beyond Classical），也就是證明量子計(jì)算機(jī)在解決特定問題上，具有超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的能力，能做到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以做到的事。2019年谷歌所證明的“量子霸權(quán)”（也叫“量子優(yōu)越性”），就是這其中的第一塊里程碑，但處在這個(gè)階段的量子計(jì)算機(jī)還是無法被大規(guī)模地應(yīng)用，因?yàn)樗星疫€不具備可擴(kuò)展性和容錯(cuò)能力。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用晶體管作為基本的物理組件來構(gòu)成更復(fù)雜的電路，而與之相對(duì)地，量子計(jì)算機(jī)中最小的計(jì)算單位則是量子比特（qubits）。量子比特的運(yùn)行速度極快，但也十分脆弱，很容易受到振動(dòng)、溫度和電磁場(chǎng)等微小擾動(dòng)的影響而迅速退相干（decoherence），導(dǎo)致錯(cuò)誤頻出。使用的量子比特越多，發(fā)生的錯(cuò)誤也就越多。

這一限制使得現(xiàn)階段的量子計(jì)算機(jī)，都難以穩(wěn)定地執(zhí)行復(fù)雜的運(yùn)算任務(wù)。換句話說，想要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子計(jì)算，實(shí)現(xiàn)有效的糾錯(cuò)是必須要完成的“前置條件”，這就是量子計(jì)算需要征服的第二塊“里程碑”——量子糾錯(cuò)。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)也可能出錯(cuò)，但工程師們已經(jīng)開發(fā)出了許多成熟的檢查和糾正機(jī)制，比如奇偶校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）、錯(cuò)誤糾正碼（Error-Correcting Code）。但量子比特有一個(gè)特別的性質(zhì)：一旦你測(cè)量它，就會(huì)改變它的狀態(tài)。這意味著，如果我們?cè)噲D通過測(cè)量來檢查錯(cuò)誤，就破壞原本的量子信息。而根據(jù)量子力學(xué)的基本原則，未知的量子態(tài)不能被精確復(fù)制，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中通過復(fù)制數(shù)據(jù)來進(jìn)行糾錯(cuò)的方法，在量子世界里也不適用。

有一種思路叫量子糾錯(cuò)碼（Quantum error-correcting code，QECC），把量子信息分布在多個(gè)物理量子比特上，用大量的物理量子比特來編碼成一個(gè)“邏輯量子比特”，通過提供信息的冗余，來降低出錯(cuò)的概率，延長(zhǎng)量子比特的壽命。但量子糾錯(cuò)需要編碼、制備輔助比特、探測(cè)錯(cuò)誤和糾正錯(cuò)誤等多種操作，每一步都可能帶來額外的錯(cuò)誤，造成“越糾越錯(cuò)”的尷尬局面。

換句話說，量子糾錯(cuò)中也存在一個(gè)“盈虧平衡點(diǎn)”，只有在各個(gè)環(huán)節(jié)都完成高精度的操控，才能突破這個(gè)平衡點(diǎn)，讓量子糾錯(cuò)“越糾越對(duì)”，否則就會(huì)“越糾越錯(cuò)”。

2023年2月，谷歌團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇名為《通過擴(kuò)展表面編碼邏輯量子比特來抑制量子誤差》（Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit ）的論文。在這篇論文中，研究人員在具有72量子比特的第二代“懸鈴木”（Sycamore）量子芯片上使用表面碼（Surface Code）進(jìn)行量子糾錯(cuò)。

表面碼（Surface Code）是一種先進(jìn)的量子糾錯(cuò)方法，就像是用量子比特編織了張大而復(fù)雜的“漁網(wǎng)”，我們不用挨個(gè)去檢查漁網(wǎng)的每個(gè)結(jié)點(diǎn)是否牢靠，而是直接通過觀察漁網(wǎng)的整體狀態(tài)，比如是否有斷裂或者褶皺，來判斷漁網(wǎng)是否有破損的跡象。就算單個(gè)結(jié)點(diǎn)出了問題，漁網(wǎng)的整體功能還是可以保證。而這個(gè)漁網(wǎng)越大、結(jié)點(diǎn)越密，理論上出現(xiàn)問題所受到的影響就越小。

黃色格點(diǎn)是數(shù)據(jù)量子比特，藍(lán)色的格點(diǎn)負(fù)責(zé)檢查錯(cuò)誤。當(dāng)錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)，周圍的藍(lán)色格點(diǎn)變成了紅色

研究人員首先嘗試了碼距為3的表面碼，也就是使用3X3的物理量子比特來編碼邏輯量子比特（外加8個(gè)用于測(cè)量的量子比特，總共17個(gè)），然后再進(jìn)一步，達(dá)到一個(gè)距離為5的表面碼（總共49個(gè)量子比特）。研究人員發(fā)現(xiàn)：相比碼距為3的時(shí)候，碼距為5的錯(cuò)誤率降低了約2%到4%的水平，證明了更大的碼距可以帶來更低的錯(cuò)誤率。

此后，谷歌的團(tuán)隊(duì)又對(duì)硬件進(jìn)行了大量的改進(jìn)和優(yōu)化。2024年初，團(tuán)隊(duì)在一顆具有72個(gè)量子比特的新芯片“柳木”（Willow）上進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤率降低的不止一點(diǎn)，而是40%多，再經(jīng)過幾個(gè)月的時(shí)間，團(tuán)隊(duì)把這一數(shù)字提高到了50%。研究人員還想嘗試進(jìn)一步擴(kuò)大碼距會(huì)發(fā)生什么，但受限于硬件水平，碼距為7的表面碼需要49+48=97個(gè)量子比特，已經(jīng)超過了當(dāng)時(shí)谷歌已有芯片的極限。

谷歌的表面碼網(wǎng)格示意圖，黃色為數(shù)據(jù)量子比特，其他顏色為測(cè)量量子比特

直到今年8月，擁有105個(gè)量子比特“柳木”芯片問世，在這顆新芯片上，研究人員創(chuàng)建了9個(gè)距離為3、4個(gè)距離為5以及1個(gè)距離為7的表面碼，而收集到的數(shù)據(jù)顯示，隨著表面碼碼距從3到5再到7的每一次拓展，編碼的錯(cuò)誤率會(huì)以2.14的倍率呈指數(shù)下降，并且邏輯量子比特的壽命超過了所有組成它的物理量子比特的壽命，突破了量子糾錯(cuò)的“盈虧平衡點(diǎn)”。

每周期邏輯錯(cuò)誤隨表面碼距離d的變化

雖然“柳木”芯片的操作保真度約是“懸鈴木”的2倍，但其編碼錯(cuò)誤率卻大幅改善了近20倍。從理論上說，人們可以通過構(gòu)建更多的邏輯量子比特，來實(shí)現(xiàn)更高的性能、更低的錯(cuò)誤率以及更長(zhǎng)的量子比特壽命，為量子計(jì)算機(jī)的大規(guī)模推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

這項(xiàng)研究結(jié)果被記載于論文《低于表面碼閾值的量子糾錯(cuò)》（Quantum error correction below the surface code threshold ）中，并在今年的8月份發(fā)表在了預(yù)印本平臺(tái)arXiv上。這項(xiàng)研究成果與2023年2月所發(fā)布的研究一起，確立了量子計(jì)算領(lǐng)域的第二座重要里程碑——量子糾錯(cuò)領(lǐng)域取得了重大的突破。

盡管還有許多重要的課題有待解決，容錯(cuò)量子計(jì)算距離實(shí)用化還有不小的距離，但有了這些研究的打底，科學(xué)家們已經(jīng)可以更加自信地探討如何利用規(guī)模效應(yīng)來推動(dòng)量子計(jì)算的發(fā)展了。如同經(jīng)典計(jì)算機(jī)所經(jīng)歷的“摩爾定律”所描述的技術(shù)進(jìn)步一樣，Google量子人工智能實(shí)驗(yàn)室主任哈特穆特·乃文（Hartmut Neven）也曾提出過一個(gè)類似于摩爾定律的預(yù)測(cè)，認(rèn)為量子計(jì)算能力的增長(zhǎng)速度將呈現(xiàn)雙指數(shù)增長(zhǎng)，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)速率。通過不斷改善量子比特的性能、開發(fā)更先進(jìn)的糾錯(cuò)技術(shù)、構(gòu)建更多的邏輯量子比特，可以在量子比特?cái)?shù)量大幅提升的同時(shí)，將錯(cuò)誤率降至多個(gè)數(shù)量級(jí)以下。

在Google設(shè)定的第三個(gè)里程碑目標(biāo)中，物理量子比特的數(shù)量將會(huì)超過上千個(gè)，同時(shí)100萬次計(jì)算中出現(xiàn)的錯(cuò)誤將會(huì)少于1次。而在更遠(yuǎn)的未來，要讓量子計(jì)算機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用成為可能，人類將至少需要100萬個(gè)物理量子比特，并且在10萬億次計(jì)算中出現(xiàn)的錯(cuò)誤少于一次。

中國(guó)的位置

作為前沿科技的量子計(jì)算，正逐漸從理論研究向?qū)嶋H應(yīng)用過渡，但要成為廣泛可用的工具還尚需時(shí)日，即使是最樂觀的預(yù)測(cè)也認(rèn)為至少要到2030年，但科學(xué)家們已經(jīng)成功地邁出了其中至關(guān)重要的第一步和第二步。以谷歌為參照，中國(guó)的位置又在哪里？

2019年谷歌通過“量子隨機(jī)線路采樣”（RCS）的方式成功證明量子優(yōu)越性后，在2020年12月，中科大陸朝陽(yáng)、潘建偉團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）期刊上發(fā)表了名為《利用光子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性》（Quantum computational advantage using photons ）的研究論文，使用專用量子計(jì)算機(jī)“九章”實(shí)現(xiàn)了高斯玻色采樣（Gaussian boson sampling）問題的快速求解，比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快了一百萬億倍，使我國(guó)僅次于美國(guó)，成為了全球第二個(gè)證明“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。

利用光子實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算優(yōu)越性

隨后在2021年6月，中科大潘建偉、朱曉波團(tuán)隊(duì)在arXiv上發(fā)表論文《超導(dǎo)量子計(jì)算處理器的強(qiáng)量子計(jì)算優(yōu)越性》（Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor ），使用最新研制的包含66個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之二號(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“量子隨機(jī)線路取樣”（RCS）任務(wù)的快速求解。

自從谷歌在2019年成功證明“量子優(yōu)越性后”，經(jīng)典計(jì)算機(jī)領(lǐng)域也迅速做出了“回?fù)簟保芯咳藛T們開發(fā)出了一系列更高效的經(jīng)典模擬算法，這些算法在某些情況下，能夠顯著縮小與量子計(jì)算結(jié)果之間的差距，使得最初的量子優(yōu)越性證明看起來不那么絕對(duì)。

而“祖沖之二號(hào)”的意義在于其重申了量子計(jì)算的潛力。對(duì)于同樣的RCS任務(wù)，“祖沖之二號(hào)”僅需1.2小時(shí)即可完成，而使用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)且效率最高的張量網(wǎng)絡(luò)模擬方法的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，則需要8.2年的時(shí)間來完成相同的任務(wù)，這意味著“祖沖之二號(hào)”的速度比傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)快大約一千萬倍。中國(guó)成功繼谷歌之后，在超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的路線上再次實(shí)現(xiàn)了對(duì)“量子優(yōu)越性”的證明。

超導(dǎo)量子計(jì)算處理器的強(qiáng)量子計(jì)算優(yōu)越性

在谷歌成功證明“量子優(yōu)越性”的兩年時(shí)間內(nèi)，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)緊隨其后，并分別在兩條不同的技術(shù)路線上實(shí)現(xiàn)了對(duì)“量子優(yōu)越性”證明。在這之后，中國(guó)團(tuán)隊(duì)也迅速地調(diào)整了方向，將重心轉(zhuǎn)向了對(duì)下一個(gè)挑戰(zhàn)——量子糾錯(cuò)問題的攻克上。

2022年，中科大潘建偉、朱曉波、彭承志、陸朝陽(yáng)等學(xué)者合作，在此前研發(fā)的祖沖之二號(hào)量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，推出了升級(jí)版本——“祖沖之2.1號(hào)”，并首次實(shí)現(xiàn)了碼距為3的表面碼的重復(fù)糾錯(cuò)，將邏輯誤差率與未進(jìn)行任何糾錯(cuò)時(shí)的邏輯誤差率相比減少了20%，證明了使用表面碼進(jìn)行重復(fù)量子糾錯(cuò)的可行性，為后續(xù)開發(fā)更加復(fù)雜和高效的大規(guī)模量子糾錯(cuò)機(jī)制提供了重要的理論和技術(shù)支持。研究結(jié)果被發(fā)表在了2022年7月11日的《物理評(píng)論快報(bào)》 上，隨后谷歌團(tuán)隊(duì)在2023年2月發(fā)布的關(guān)于第二代“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)的研究中，證明了碼距為5的表面碼糾錯(cuò)能力超過了碼距為3時(shí)的表現(xiàn)，并且在論文中引用了中科大團(tuán)隊(duì)的前期工作。

實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特糾錯(cuò)表面碼

2023年3月，南方科大的俞大鵬團(tuán)隊(duì)在《自然 》期刊上發(fā)表論文，基于玻色編碼的量子糾錯(cuò)方案，通過實(shí)時(shí)重復(fù)的量子糾錯(cuò)技術(shù)延長(zhǎng)了量子比特的壽命，在國(guó)際上首次突破了量子糾錯(cuò)的“盈虧平衡點(diǎn)”。盡管這一成就沒有像谷歌前段時(shí)間發(fā)布的“柳木”（Willow）芯片那樣引起公眾廣泛關(guān)注，但在量子計(jì)算領(lǐng)域中同樣是一項(xiàng)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)。

南科大團(tuán)隊(duì)的這份研究相較于谷歌的工作，其獨(dú)特價(jià)值在于首次實(shí)證了量子糾錯(cuò)技術(shù)能夠帶來正向的效益。在此之前，盡管量子糾錯(cuò)一直是研究的熱點(diǎn)，學(xué)術(shù)界也進(jìn)行了大量的研究，但即使經(jīng)過糾錯(cuò)處理后，邏輯量子比特的壽命和錯(cuò)誤率仍然遜于物理量子比特的表現(xiàn)。而南科大團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的調(diào)整優(yōu)化，證明了量子糾錯(cuò)確實(shí)比沒有糾錯(cuò)的最好的效果還要好，說明量子糾錯(cuò)確實(shí)是一個(gè)正確的方向，意義十分重大。因此在今年的2月，南科大的這份研究被國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)認(rèn)定為2023年度的“十大科學(xué)進(jìn)展”之一。

用離散變量編碼的邏輯量子比特突破盈虧平衡點(diǎn)

而相較于南科大的這份研究，谷歌在今年8月公布的研究成果意義則在于，將此前使用玻色編碼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步拓展 到了多量子比特的表面碼體系上，并首次在這一體系中實(shí)現(xiàn)了盈虧平衡點(diǎn)的突破。由于表面碼體系具備較好的容錯(cuò)性和明確的擴(kuò)展路徑，非常適合大規(guī)模量子計(jì)算的需求，被認(rèn)為是超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展理想的糾錯(cuò)碼形式，是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的主流發(fā)展方向，因此同樣具有十分深遠(yuǎn)的意義。

而就在前不久的12月17日，潘建偉、朱曉波團(tuán)隊(duì)發(fā)表預(yù)印版論文 ，與中科大、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)盾量子等九家單位聯(lián)合攻關(guān)，開發(fā)出了具有105個(gè)量子比特的祖沖之3.0號(hào)超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，并成功執(zhí)行了更大規(guī)模的隨機(jī)電路采樣實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)大了與經(jīng)典計(jì)算機(jī)的差距。目前國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在基于“祖沖之三號(hào)”，準(zhǔn)備在未來的幾個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)碼距為7的表面碼邏輯比特，并進(jìn)一步將碼距擴(kuò)展到9和11，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。

可以說，在量子計(jì)算這一前沿科技領(lǐng)域，中美兩國(guó)科研團(tuán)隊(duì)之間是“你追我趕”的態(tài)勢(shì)，雙方的差距已經(jīng)縮小至一到兩年之內(nèi)。中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在這個(gè)過程中，取得了一系列具有深遠(yuǎn)意義的研究成果，也為全球科學(xué)界貢獻(xiàn)了寶貴的智慧。盡管在具體的技術(shù)路線選擇上還存在一些分歧，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、通用且可容錯(cuò)的量子計(jì)算并不存在原則性的障礙。隨著近年來學(xué)術(shù)界連續(xù)攻克關(guān)鍵里程碑，一系列重要的科研成果相繼問世，量子計(jì)算的重要意義愈發(fā)凸顯，已經(jīng)成為各國(guó)政府競(jìng)相關(guān)注的核心議題之一，而中美兩國(guó)在這個(gè)前沿領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)也日益白熱化。

競(jìng)爭(zhēng)正在加劇

美國(guó)在量子計(jì)算領(lǐng)域的最新進(jìn)展展現(xiàn)了其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這對(duì)我們來說既是一種激勵(lì)，但同樣也是一種壓力。

今年9月5號(hào)，就在谷歌團(tuán)隊(duì)發(fā)論文宣布實(shí)現(xiàn)低于表面碼閾值的量子糾錯(cuò)這一突破性進(jìn)展的一個(gè)星期后，美國(guó)商務(wù)部就強(qiáng)化了對(duì)中國(guó)量子計(jì)算領(lǐng)域的出口管制，將量子計(jì)算機(jī)及所需要的設(shè)備、組件、材料、軟件和技術(shù)全部納入到了管控范圍內(nèi)，嚴(yán)格限制中國(guó)獲得相關(guān)的技術(shù)。

美國(guó)高度重視量子計(jì)算的戰(zhàn)略性意義。2018年12月，美國(guó)通過《國(guó)家量子倡議法案》（National Quantum Initiative Act，簡(jiǎn)稱NQI法案），授權(quán)撥款超過12億美元資金，分配給美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和美國(guó)能源部（DOE）等機(jī)構(gòu)，用于加速量子信息科學(xué)的研究與開發(fā)，并確保美國(guó)在量子科技領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位。

《國(guó)家量子倡議法案》使美國(guó)政府成為了量子信息領(lǐng)域迄今為止為主最大、最慷慨的研究資助方，自法案實(shí)施五年多以來，美國(guó)政府在這一領(lǐng)域?qū)嶋H投資的規(guī)模，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了原計(jì)劃的金額。從2019到2023財(cái)年，美國(guó)政府在量子信息領(lǐng)域累計(jì)投資的金額已經(jīng)達(dá)到了37.38億美元，是原計(jì)劃的三倍多，并且每年投資額還在以超過20%的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。此外，美國(guó)政府在2022年8月通過的《芯片與科學(xué)》法案中，也涵蓋了量子科學(xué)網(wǎng)絡(luò)、科學(xué)和技術(shù)量子用戶擴(kuò)展計(jì)劃、量子網(wǎng)絡(luò)和通信研究與標(biāo)準(zhǔn)化、下一代量子領(lǐng)導(dǎo)者領(lǐng)航計(jì)劃四個(gè)量子信息相關(guān)項(xiàng)目，總投資金額也達(dá)到了1.53億美元每年。

《國(guó)家量子倡議法案》于去年年底到期后，美國(guó)國(guó)會(huì)緊接著又通過了《國(guó)家量子倡議再授權(quán)法案》（National Quantum Initiative Reauthorization Act），將未來五年對(duì)量子信息領(lǐng)域的投資額提高到了18億美元。就在這個(gè)月的月初，美國(guó)國(guó)會(huì)又提出了新版的《國(guó)家量子倡議再授權(quán)法案》，準(zhǔn)備在原法案的基礎(chǔ)上，將對(duì)量子信息領(lǐng)域的研發(fā)撥款從18億美元提高至27億美元，同時(shí)大幅延長(zhǎng)了法案的授權(quán)期限。

美國(guó)政府在大舉增加對(duì)國(guó)內(nèi)量子信息技術(shù)投資的同時(shí)，也在不斷升級(jí)對(duì)中國(guó)量子領(lǐng)域的技術(shù)封鎖。

以目前量子計(jì)算最主流的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)為例，為了讓超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行，需要將溫度穩(wěn)定在20mK（?273.13°C）以下，非常接近于-273.15的絕對(duì)零度，需要使用稀釋制冷機(jī)來達(dá)到這個(gè)溫度。稀釋制冷機(jī)是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的核心裝備，一臺(tái)超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)所需的稀釋制冷機(jī)，其價(jià)格一般在幾百萬至一千萬人民幣之間。全球稀釋制冷機(jī)市場(chǎng)超過九成的份額都被兩家外國(guó)公司瓜分，分別是位于芬蘭的布魯福斯（Bluefors）和位于英國(guó)的牛津儀器（Oxford Instruments）。

稀釋制冷機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

稀釋制冷機(jī)的制冷功率大小，直接影響到了量子計(jì)算機(jī)能夠支持的最大量子比特?cái)?shù)量，成了制約量子計(jì)算進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。2021年11月，美國(guó)政府將合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、科大國(guó)盾量子、上海國(guó)盾量子三家量子計(jì)算相關(guān)企業(yè)列入實(shí)體清單，限制關(guān)鍵設(shè)施對(duì)中國(guó)的出口。

美國(guó)在對(duì)中國(guó)科技企業(yè)進(jìn)行出口管制的同時(shí)，也要求其盟友跟進(jìn)，對(duì)中國(guó)禁運(yùn)包括稀釋制冷機(jī)在內(nèi)的量子計(jì)算機(jī)核心部件以及量子計(jì)算機(jī)整機(jī)，利用《瓦森納協(xié)定》（Wassenaar Arrangement）等多邊機(jī)制，通過切斷關(guān)鍵技術(shù)和組件供應(yīng)鏈的方式，來削弱中國(guó)的技術(shù)創(chuàng)新能力。2023年6月，西班牙修改法令對(duì)量子技術(shù)技術(shù)實(shí)施出口管制；2024年2月，法國(guó)政府頒布命令，規(guī)定量子計(jì)算機(jī)及其組件向非歐盟國(guó)家出口需要獲得法國(guó)軍民兩用機(jī)構(gòu)SBDU的許可；3月，英國(guó)商業(yè)和貿(mào)易部修訂出口管制條例，規(guī)定量子計(jì)算機(jī)及其相關(guān)組件的出口將需要申請(qǐng)?jiān)S可證；4月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省宣布量子相關(guān)產(chǎn)品的出口將受到限制；6月加拿大修訂出口管制清單，將一系列量子技術(shù)相關(guān)商品和技術(shù)納入到需要嚴(yán)格監(jiān)管的范疇之內(nèi)。

隨著一系列禁運(yùn)措施的實(shí)施，稀釋制冷機(jī)在中國(guó)面臨著供不應(yīng)求的局面。根據(jù)光子盒研究院的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年和2022年，中國(guó)分別進(jìn)口了60臺(tái)和53臺(tái)稀釋制冷機(jī)，但到了2023年，進(jìn)口加國(guó)產(chǎn)僅成交了15臺(tái)，到2024年已經(jīng)徹底無法再進(jìn)口。

美國(guó)對(duì)量子計(jì)算領(lǐng)域的管控措施不僅限于關(guān)鍵設(shè)備的封鎖禁運(yùn)，還進(jìn)一步延伸到了科研與市場(chǎng)環(huán)境的極限擠壓。

2023年8月，美國(guó)總統(tǒng)拜登簽署行政命令，美國(guó)財(cái)政部發(fā)布了一系列新規(guī)，禁止或限制美國(guó)個(gè)人或企業(yè)對(duì)中國(guó)的半導(dǎo)體、量子信息以及人工智能領(lǐng)域進(jìn)行投資。而在這之中，量子信息又是唯一一個(gè)被全面禁止、且不存在任何“例外”的投資禁區(qū)。具體而言，新規(guī)覆蓋了所有與中國(guó)量子計(jì)算機(jī)及相關(guān)組件、量子傳感器、量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信系統(tǒng)有關(guān)的領(lǐng)域，旨在全面遏制中國(guó)在量子技術(shù)方面的進(jìn)展。這些措施不僅強(qiáng)化了既有的出口管控政策，還將監(jiān)管的范圍擴(kuò)大到了金融投資領(lǐng)域，迫使美國(guó)投資者重新評(píng)估其在中國(guó)的投資策略，為中國(guó)量子計(jì)算的發(fā)展增添了額外的挑戰(zhàn)。

美國(guó)政府對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體、量子信息以及人工智能實(shí)施投資禁令，量子信息是其中唯一一個(gè)沒有任何“例外”的領(lǐng)域

2023年11月，阿里巴巴確認(rèn)放棄量子計(jì)算的研發(fā)，宣布解散達(dá)摩院量子實(shí)驗(yàn)室，連同實(shí)驗(yàn)室以及量子實(shí)驗(yàn)儀器捐贈(zèng)予浙江大學(xué)。兩個(gè)月后，百度也宣布將放棄量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，將旗下實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備捐贈(zèng)給了北京量子信息科學(xué)研究院。

和美國(guó)谷歌、IBM等市場(chǎng)化科技巨頭主導(dǎo)了量子計(jì)算發(fā)展的格局不同，在中國(guó)，量子計(jì)算相關(guān)研究的主要推動(dòng)力量還是更多地來自于諸如中科大、南方科大、中科院、北京量子信息科學(xué)研究院等科研院校。隨著中美之間圍繞量子計(jì)算的科技競(jìng)賽不斷升溫，以及由此帶來的限制性政策的增加，預(yù)計(jì)在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，廣大的科研院校還將繼續(xù)在中國(guó)的量子計(jì)算研究發(fā)揮“中流砥柱”的作用。在日益復(fù)雜多變的國(guó)際環(huán)境下，如何做好產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，已經(jīng)成了一個(gè)關(guān)鍵的問題。這或許需要國(guó)家提供更多的科研資金、以及政策上的支持，并協(xié)調(diào)更多有耐心的市場(chǎng)力量參與進(jìn)來，以共同應(yīng)對(duì)全球競(jìng)爭(zhēng)帶來的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

同志仍需努力

即便在美國(guó)的重重封鎖之下，中國(guó)的科研學(xué)者們還是在一些關(guān)鍵領(lǐng)域取得了重要的突破。

以前面提到的稀釋制冷機(jī)為例，2021年，中科院物理研究所攻克了無液氦稀釋制冷機(jī)熱交換器制作等多項(xiàng)核心技術(shù)，自主研發(fā)了無液氦的稀釋制冷機(jī)原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了10.9mK，即相當(dāng)于-273.1391攝氏度的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，達(dá)到了國(guó)際主流產(chǎn)品的水平。此后又經(jīng)過了一年多時(shí)間的工藝優(yōu)化和固化，中科院物理所進(jìn)一步提升了技術(shù)性能，研制出的新一代工程樣機(jī)不僅能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，最低溫度也降至7.6mK（-273.1424度），同時(shí)制冷功率達(dá)到了450μW@100mK，即在100mK（-273.05度）的溫度下，制冷機(jī)能提供450微瓦（μW）的制冷功率，與國(guó)外主流的中型商業(yè)稀釋制冷機(jī)相當(dāng)。

物理所10mK原型機(jī)

2023年，國(guó)盾量子在自主研發(fā)和中科大專利許可支持下，研發(fā)出國(guó)產(chǎn)稀釋制冷機(jī)“ez-Q Fridge”，并向多家科研單位交付了搭載該制冷機(jī)的量子計(jì)算機(jī)，該型號(hào)制冷機(jī)專門針對(duì)超導(dǎo)量子計(jì)算的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，能為量子芯片提供低至10mK（-273.14度）級(jí)別的極低溫低噪聲環(huán)境，制冷功率達(dá)到450uW@100mK，并經(jīng)過多月的測(cè)試，證明了其長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力，成為國(guó)內(nèi)首款可商用可量產(chǎn)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)用稀釋制冷機(jī)。而在今年的6月份，本源量子在合肥下線了國(guó)產(chǎn)稀釋制冷機(jī)SL1000，制冷功率可以達(dá)到1000uW@100mK，已經(jīng)十分接近國(guó)際上的先進(jìn)水平。

國(guó)外主流商用稀釋制冷機(jī)產(chǎn)品與國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

而在另一個(gè)長(zhǎng)期被“卡脖子”的關(guān)鍵領(lǐng)域——低溫同軸線纜上，中國(guó)的科研人員也在前段時(shí)間取得了進(jìn)展。這一部件曾長(zhǎng)期被日本壟斷，中國(guó)不得不依賴高價(jià)進(jìn)口來滿足需求。而就在不久前的2024年5月，本源量子宣布成功攻克了極低溫特種高頻同軸線纜的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了這一重要部件的國(guó)產(chǎn)化。

今年6月，國(guó)盾量子宣布成功研發(fā)國(guó)產(chǎn)抗干擾氧化釕溫度計(jì)ezQ-RX56，起測(cè)溫度接近6mK，結(jié)束了我國(guó)低于10mK溫區(qū)的氧化釕溫度計(jì)依賴從外國(guó)進(jìn)口的歷史。

盡管取得了這些突破，我們?nèi)匀灰吹街袊?guó)與國(guó)際先進(jìn)水平之間還是存在一些差距。革命尚未成功，同志仍需努力。

在最新的論文中，谷歌的研究人員將量子比特錯(cuò)誤率的大幅抑制歸功于一項(xiàng)名為“能隙剪裁 ”（Gap-engineering）的技術(shù)的應(yīng)用。這一技術(shù)可以追溯至今年二月份谷歌與耶魯大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作發(fā)布的論文《通過超導(dǎo)量子比特陣列的能隙剪裁抑制高能沖擊事件》（Resisting high-energy impact events through gap engineering in superconducting qubit arrays ），通過在約瑟夫森結(jié)的三明治結(jié)構(gòu)上制造不同的超導(dǎo)能隙，有效地抑制了準(zhǔn)粒子隧穿效應(yīng)導(dǎo)致的量子比特衰減，延長(zhǎng)了量子比特的壽命，提高了穩(wěn)定性和可靠性。谷歌團(tuán)隊(duì)也是在此基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)了更高效的量子糾錯(cuò)算法。

此外，谷歌團(tuán)隊(duì)也在論文中花了較大的篇幅，解釋了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在量子糾錯(cuò)中發(fā)揮的作用。谷歌的量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)與DeepMind合作，開發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解碼器AlphaQubit，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)錯(cuò)誤并糾正它們，從而提高了系統(tǒng)整體的糾錯(cuò)能力。人工智能技術(shù)的應(yīng)用，為解決大規(guī)模量子糾錯(cuò)問題提供了創(chuàng)新性的思路和解決方案，并極大地推動(dòng)了谷歌團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

表格展示了不同解碼方案在不同碼距下的邏輯錯(cuò)誤表現(xiàn)

這些研究展示了物理理論、工程實(shí)踐與跨學(xué)科協(xié)作相結(jié)合所能帶來的巨大潛力，同時(shí)也映射出我們?cè)谧汾s國(guó)際先進(jìn)水平時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。它提醒我們，要達(dá)到這樣的高度，我們還需要持續(xù)的努力和投入。

我們正處在這樣的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上：全球量子計(jì)算的研發(fā)進(jìn)程正在加速，國(guó)際社會(huì)正在為迎接一個(gè)極大算力的量子時(shí)代做準(zhǔn)備。今年5月，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）宣布將逐步淘汰現(xiàn)有加密算法，評(píng)估新算法以向能夠抵抗量子計(jì)算機(jī)攻擊的新一代密碼體系過渡，美國(guó)國(guó)家安全局（NSA）正在與標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所合作，推動(dòng)全國(guó)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和組織提前向后量子密碼（Post-Quantum Cryptography，PQC）時(shí)代遷移。歐盟委員會(huì)也在今年4月發(fā)布了《向后量子密碼遷移的協(xié)同實(shí)施路線圖建議》（Recommendation on a Coordinated Implementation Roadmap for the transition to Post-Quantum Cryptography），鼓勵(lì)成員國(guó)制定統(tǒng)一戰(zhàn)略，以向后量子密碼時(shí)代遷移。日本總務(wù)省、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省、數(shù)字廳也成立了跨部門的“密碼技術(shù)研討會(huì)”，組建專門的工作組評(píng)估面向量子時(shí)代的安全加密技術(shù)，并在美國(guó)NIST的后量子密碼（PQC）算法標(biāo)準(zhǔn)征集環(huán)節(jié)中提交了多個(gè)候選算法。

過去幾年，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了許多人的預(yù)期，量子計(jì)算不僅將重塑全球信息技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，也將對(duì)世界經(jīng)濟(jì)、國(guó)家安全戰(zhàn)略乃至人類社會(huì)的未來產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。每一次技術(shù)革命，都是對(duì)現(xiàn)有秩序的重新洗牌，隨著全球前沿科技的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，中國(guó)科研工作者們所作出的努力，也將決定國(guó)家在未來全球科技格局中所處的位置。

谷歌、IBM等歐美科技巨頭在量子計(jì)算領(lǐng)域不斷取得的突破性成就，無疑為全球競(jìng)爭(zhēng)設(shè)立了更高的標(biāo)桿，與此同時(shí)，世界各國(guó)圍繞關(guān)鍵技術(shù)的限制也在日益加劇，使中國(guó)量子技術(shù)的科研生態(tài)和市場(chǎng)環(huán)境面臨著更為復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)和制衡。

面對(duì)加速逼近的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)、日趨嚴(yán)苛的外部封鎖以及關(guān)鍵設(shè)備、技術(shù)與人才的多重挑戰(zhàn)，我們需要保持清醒和緊迫感，意識(shí)到這不僅是技術(shù)層面的較量，更是國(guó)家戰(zhàn)略能力的全方位檢驗(yàn)。但回顧中國(guó)在信息技術(shù)領(lǐng)域的成長(zhǎng)歷程，我們有理由對(duì)未來保持堅(jiān)定的信心。以往每當(dāng)國(guó)際科技巨頭在量子計(jì)算領(lǐng)域取得里程碑式的進(jìn)展，其背后的技術(shù)細(xì)節(jié)總是被嚴(yán)格保密，外界難以窺見其全貌。面對(duì)這種信息高度不對(duì)稱的挑戰(zhàn)，中國(guó)研究者們總是能在短時(shí)間內(nèi)迅速趕上，并在一些關(guān)鍵的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)趕超。這一過程背后，是無數(shù)科研人員默默付出，他們克服了重重困難，付出了難以想象的巨大努力。

當(dāng)技術(shù)壁壘的高墻難以撼動(dòng)，我們能做的就是扎下根來。中國(guó)科技發(fā)展的內(nèi)生動(dòng)力正在不斷積累，這樣的歷練，必將使中國(guó)科研力量在巨大壓力下實(shí)現(xiàn)有韌性的頑強(qiáng)生長(zhǎng)。

致謝：本文在撰寫過程中得到了國(guó)盾量子云平臺(tái)負(fù)責(zé)人儲(chǔ)文皓的寶貴意見和專業(yè)指導(dǎo)

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