中國量子計算機發(fā)展調(diào)查

中國量子計算機發(fā)展調(diào)查

目錄

1.什么是量子計算機？我國量子計算機離國際領(lǐng)先水平有多遠？..........................................I

2.本源悟源量子計算機外景............................................................................2

3.美國IBM公司的量子計算機.........................................................................3

4.經(jīng)典計算機發(fā)展陷入頹勢............................................................................5

4.1.技術(shù)發(fā)展本身即將達到峰值.......................................................................6

4.2.摩爾定律近乎失效，技術(shù)進步成本太高............................................................7

5.量子計算機的優(yōu)勢..................................................................................9

6.量子計算機的發(fā)展..................................................................................11

7.中國科學院院士潘建偉和量子計算機合影............................................................12

8.本源超導(dǎo)24比特量子芯片..........................................................................13

9.“九章二號”量子計算機..............................................................................14

10.本源工作人員調(diào)試悟源計算機......................................................................15

11.谷歌懸鈴木量子計算機............................................................................16

12.結(jié)語..............................................................................................16

1.什么是量子計算機？我國量子計算機離國際領(lǐng)先水平有多遠？

“遇事不決，量子力學.”這是一句十分流行的網(wǎng)絡(luò)用語，側(cè)面反映出在我們大多數(shù)人看來，量

子力學是一種玄而又玄的東西。

其實，與普通人對量子力學云里霧里恰恰相反，近年來，我們國家在量子科技領(lǐng)域已經(jīng)接連取

得了許多令人矚目的成就，這不，又一臺國產(chǎn)量子計算機即將問世。

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2.本源悟源量子計算機外景

這臺新的國產(chǎn)量子計算機被命名為“悟空”，由合肥本源量子計算科技有限責任公司（以下簡稱

為“本源量子”）建造生產(chǎn)，本源量子是中國第一家量子計算公司。

可別小看這臺“悟空”計算機，它可是我國最強的量子計算機，那么“悟空”與之前國內(nèi)的“九

章”“祖沖之”系列量子計算機到底有何不同？我國量子計算機在世界上到底處于什么位置？

越來越多的國家開始重視量子計算機

許多人并不了解量子計算機有多么重要，只是時不時聽說國內(nèi)外有關(guān)量子計算機的新聞，舉個

通俗的例子，你可以把量子計算機視為是“信息時代的原子彈”。

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3.美國IBM公司的量子計算機

一直以來，許多國家都把量子計算機視為是具有重要戰(zhàn)略價值的國之重器。以美國這個世界上

科技最發(fā)達的國家舉例，“曼哈頓計劃”作為美國的原子彈計劃被世人所熟知，殊不知，美國現(xiàn)在已

經(jīng)把他們國家的量子計算機研發(fā)計劃，正式命名為了“微型曼哈頓計劃”，由此可見美國有多么重視

量子計算機。

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作為現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)、經(jīng)典計算機的誕生地的美國，都要如此重視量子計算機，其他國家怎能甘心

落后呢？越來越多國家開始重視量子計算機的背后，是因為與經(jīng)典計算機相比，量子計算機具有無

與倫比的優(yōu)勢。

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所謂量子計算機，是一類以量子力學規(guī)律為指導(dǎo)，進行高速數(shù)學和邏輯運算、處理及存儲量子

信息的計算機。與普通計算機相比，量子計算機能存儲更多的比特，隨著量子比特數(shù)的增加，量子

計算機的處理能力將呈指數(shù)級增長。

4.經(jīng)典計算機發(fā)展陷入頹勢

如今的時代是數(shù)據(jù)的時代，我們無時無刻不處于大數(shù)據(jù)的包圍之中，而龐大的數(shù)據(jù)背后，則需

要驚人的算力維持。經(jīng)典計算機的發(fā)展，主要依靠加強晶體管集成度，如今，這項技術(shù)即將陷入發(fā)

展瓶頸，它已經(jīng)逐漸無法適應(yīng)算力需求的上漲速度。

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4.1.技術(shù)發(fā)展本身即將達到峰值

以經(jīng)典計算機（也就是我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫挠嬎銠C）為例，想要增強計算能力，唯一的方法

是通過加強晶體管集成度，但晶體管集成并非永無止境，而是存在一定的限度，一旦達到最高限

度，便不能繼續(xù)進行下去，只能另辟蹊徑。

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目前，世界上最先進的用晶體管尺寸已達3個納米，預(yù)計未來10年內(nèi)，其就將達到亞納米尺

寸，屆時以人類現(xiàn)有的技術(shù)水平，將很難繼續(xù)走集成晶體管的道路。

4.2.摩爾定律近乎失效，技術(shù)進步成本太高

除了技術(shù)發(fā)展本身受限之外，經(jīng)典計算機所依賴的集成晶體管，其技術(shù)進步成本實在太高。

以手機芯片舉例，現(xiàn)階段，雖然三星和臺積電都先后宣布實現(xiàn)了3納米制程量產(chǎn)，但并沒有多

少下游廠商，愿意為這項奢侈的技術(shù)買單，因為成本實在太高。

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據(jù)了解，臺積電在南科園區(qū)的3納米工廠，總投資高達6000億新臺幣（約合人民幣1360

億），作為對比，臺積電2020年在美國投建的5納米工廠投資額為120億美元（約合人民幣838

億）。從5納米到3納米，成本直接上升了近一半多，這還只是建廠成本，并沒有把前期研發(fā)和后

期加工等成本計算在內(nèi)。

摩爾定律的提出者戈登?摩爾

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一宜以來，摩爾定律都在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)揮著重要的作用，所謂摩爾定律，就是指“每隔18個

月，在價格不變的基礎(chǔ)上，同樣單位面積內(nèi)的晶體管數(shù)量翻倍。通俗來講，就是人們幾乎每隔

一段時間，就能以同樣的價格，在單位面積內(nèi)買到數(shù)量更多、單價更低的晶體管。

但隨著集成晶體管技術(shù)的不斷發(fā)展，摩爾定律已經(jīng)開始放緩，甚至出現(xiàn)了失效的跡象。還是以

手機芯片舉例，據(jù)行業(yè)媒體Semianalysis測算的數(shù)據(jù)得出結(jié)論：現(xiàn)在最新的3nm制程的芯片，不

但沒有實現(xiàn)性能翻倍的目標，而且也沒有讓單個晶體管的成本下降，甚至還增加了約40%的成本。

5.量子計算機的優(yōu)勢

雖然集成晶體管技術(shù)的發(fā)展己經(jīng)陷入頹勢，但短期內(nèi)仍然是計算機的主流方向，因為即使單一

晶體管的體積無法繼續(xù)縮小，也可以通過改變晶體管排列方式，增加單位面積的晶體管數(shù)量，以實

現(xiàn)提高芯片性能的目標，況且理論上，目前單一晶體管的體積也尚未達到最小。

我們在認識量子計算機的優(yōu)勢之前，需要先理清一條思路：就現(xiàn)階段而言，我們之所以要發(fā)展

量子計算機，并不是為了完全取代經(jīng)典計算機，而是為了完成經(jīng)典計算機無法完成的任務(wù)。

一般而言，量子計算機更擅長的是海量數(shù)據(jù)的并行運算，以及模擬各種分子級原理，這些任務(wù)

對于經(jīng)典計算機而言，則處理起來十分困難。

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就以簡單的算力比較，目前萬億次的經(jīng)典計算機，想要處理300萬量級的大數(shù)據(jù)，大約需要花

費15萬年的時間，而使用量子計算機則只需要1秒而己；國產(chǎn)量子計算機“九章二號’求解高斯玻

色取樣的速度，要比目前世界最快的超級計算機快10的24次方倍（億億億倍）。

而在簡單的加減乘除、運行游戲、播放視頻電影等功能的處理方面，量子計算機并不比經(jīng)典計

算機快多少，可以預(yù)見，在未來的一段時間內(nèi)，這些簡單的運算任務(wù)，仍然還是要交給經(jīng)典計算機

處理，而量子計算機則是要專心于處理一些特定問題上，真正用在“刀刃”上。

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據(jù)本源量子首席科學家郭國平介紹，未來每個人都可以用到量子計算機，這主要是通云端使用

量子計算機，因此量子計算機并不一定要進入普通家庭，我們普通人平時使用的計算機，仍然還會

是以經(jīng)典計算機為主。

6.量子計算機的發(fā)展

據(jù)了解，量子計算包括超導(dǎo)、光量子、離子阱、半導(dǎo)體、拓撲等多條技術(shù)路線，這些路線究竟

哪一條更好，則沒有確定的答案，因為量子計算的發(fā)展仍然處于“摸著石頭過河”的階段，上述路線

各有優(yōu)劣，但有一點可以肯定，量子計算機的發(fā)展將主要經(jīng)歷三個階段：

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7.中國科學院院士潘建偉和量子計算機合影

1、研制50個到100個量子比特的專用量子計算機，實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”里程碑式的突破。所謂

“量子優(yōu)越性”，是指單就某個具體問題而言，新生的量子計算原型機的計算能力，可以超過最強的

經(jīng)典計算機，這就能夠證明其“優(yōu)越性”可以有更多的可能。之前，國產(chǎn)量子計算原型機“九章”已經(jīng)

成功幫助我國實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，我國現(xiàn)在是繼美國之后，全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國

家。

2、研制可操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用

價值的問題。

3、大幅提高量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算機。

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8.本源超導(dǎo)24比特量子芯片

目前，世界上所有的量子計算機研究都還處于第一階段，包括這次本源量子即將推出的“悟空”

計算機，雖然其“悟空”芯片理論上會高于64比特位數(shù)，但離第二階段可操縱數(shù)百個量子比特的目

標，仍然有相當長一段距離。

我國量子計算機在世界上的地位如何？

先說結(jié)論：量子科技主要分為量子計算、量子通信、量子精密測量三大領(lǐng)域，我們現(xiàn)在全方位

都處于世界第一梯隊。

雖然我國量子計算之前處于相對落后的地位，但隨著“九章”“祖沖之”系列量子計算機的成功，

我們?nèi)缃裨诹孔佑嬎銠C研究領(lǐng)域已經(jīng)正式邁入了世界第一梯隊。

但在第一梯隊里也有強弱之分，由于我們國家的工業(yè)基礎(chǔ)與美國等發(fā)達國家相比較為落后，因

此與IBM、谷歌這些量子計算賽道里面最強的團隊相比，以本源量子為代表的國內(nèi)團隊，目前仍然

處丁?追趕國外流水平的地位。

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9.〃九章二號〃量子計算機

因為雖然量子計算機的研究屬于“新”賽道，但是并不是'全新”的賽道，其不可避免地仍然要使

用一些經(jīng)典計算機的硬件，而經(jīng)典計算機從誕生之初，就一直被國外先進企業(yè)牢牢掌握優(yōu)勢，所以

我們在硬件方面是短板，這也是直以來制約國產(chǎn)量了計算機發(fā)展的主耍因素。

“倍空”量子計算機的新嘗試

之所以把“悟空”稱之為國內(nèi)最強量子計算機，是因為它是我們國家第一個可以走出實驗室的量

子計算機，本源量子這條生產(chǎn)“悟空”芯片的生產(chǎn)線，也是我國第一條量子芯片生產(chǎn)線.

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10.本源工作人員調(diào)試悟源計算機

與“九章”系列量子計算機采用光學技術(shù)路線不同，“悟空”采用的是超導(dǎo)技術(shù)路線，簡單理解就

是用電學體系，這與世界上領(lǐng)先的IBM、谷歌、英特爾這些比較老牌的計算機公司采用的是同一技

術(shù)路