超导量子计算机为什么要超导（量子计算机是什么）

1.突破1000量子比特大关！

2022年11月9日的IBM年度量子峰会上，IBM宣布了Osprey在量子硬件和软件方面取得的突破性进展，同时推出了“鱼鹰”（Osprey）芯片。“鱼鹰”是全球迄今为止量子比特最多的量子计算机，而前一个记录保持者则是2021年IBM推出的127量子比特计算机“鹰”（Eagle）。

目前IBM在全球拥有20多台量子计算机，客户可以通过云平台对这些量子计算机进行访问。IBM 高级副总裁兼研究总监Darío Gil介绍称：“新的 433 量子比特Osprey处理器的出现，使我们离量子计算机用于解决以前无法解决的问题更近了一步。”IBM表示，预计在2023年IBM 将推出 CONDOR：这将是世界上第一台拥有超过 1,000 个量子比特的量子计算机。IBM 量子基础设施总监 Jerry Chow 表示" 就我们真正可以集成的内容而言，一千个量子比特确实突破了极限。"

2023年IBM还将计划推出Heron：这是IBM首批模块化量子处理器，IBM公司表示，Heron将有助于在2025年之前生产出具有超过4000个量子比特的量子计算机。IBM 计划开始对量子软件应用程序进行原型设计，到 2025 年IBM 公司希望在机器学习、优化问题、自然科学等领域引入此类量子软件应用。

IBM的量子路线图中还列出了实现量子霸权的其他几大里程碑：

2023年，随Condor处理器的发布进一步扩展规模，达到1121个量子比特，此外全系统的速度和质量将进一步提升。

2024年，IBM着手集成并测试支持未来扩展的关键技术，例如经典并行化、耦合器、多芯片量子处理器和量子并行化。

2025年，补齐量子霸权目标的最后几块拼图，包括模块化量子硬件、新的控制电子元件和低温基础设施。

2026年，IBM将有能力将未来系统扩展至1万至10万量子比特，同时系统的速度和质量也将显著提高。量子错误缓解的成熟实施，将使得量子霸权成为可能。

2.量子计算机的定义

当今到了“万物皆可量子”的时代，那么量子计算机到底是什么？计算机的硬件基于量子电路，计算机运行的算法是量子算法，这类计算机称为量子计算机。根据量子计算机的定义，可以得到量子计算机的两个重要特点：硬件使用量子电路、软件使用量子算法。

2.1量子电路

传统计算机电路组成传统的计算机的基本单元电路是逻辑门，常见的逻辑门如AND门（与门），NOT门（非门），NAND门（与非门）等。逻辑门由晶体管组成，这些晶体管的组合可以使高低电平信号在通过它们之后产生新的高电平或者低电平的信号，从而实现逻辑运算。逻辑门能够实现复杂的数字电路，如加法器，乘法器。下图是逻辑门和 CMOS逻辑非门电路（反相器）。

传统计算机是由数字电路组成，数字电路则是由许多的逻辑门组成。数字电路主要进行数字信号的处理（即信号以0与1两个状态表示），因此抗干扰能力较强。数字电路有各种门电路、触发器以及由它们构成的各种组合逻辑电路和时序逻辑电路。一个数字电路系统一般由控制部件和运算部件组成，在时钟的驱动下，控制部件控制运算部件完成所要执行的动作。下图是计算机构造示意图。

量子门和量子电路

传统计算机的硬件由逻辑电路组成，逻辑电路的基础单元为逻辑门。然而量子计算机的硬件由量子电路组成，量子电路的基础单元是量子门，量子门操作的对象是量子比特。量子门也分为很多种类，可以通过真值表来理解量子门的作用，下图是量子门符号和量子门真值表。

通过组合基本的量子门构造复杂的量门电路，这些复杂的量子门电路可以实现某种特殊的量子控制功能。我们将一些由简单的基本的量子门组合成更复杂量子门称为一个量子网络/量子电路。下图是由CNOT门组成的2比特量子加法器。

众多的量子电路组成一起，可以构成量子计算机处理器，量子处理器是量子计算机的核心组成部分。下图是IBM量子芯片Osprey的结构示意图。

2.2量子算法

量子计算机运行量子算法时的计算效率远远大于传统计算机。但是传统计算机能够执行的计算依然充分利用传统计算机来执行，尽可能让量子计算机执行的量子算法相关的计算部分。

用于模拟物质的量子化行为的量子化学计算是量子计算机典型的应用领域，如果使用经典计算机上执行量子化学计算，即对遵循量子力学规律的物质的行为进行模拟和计算，会产生庞大的计算量。

无论是汽车材料，药物或电池，世界上所有材料的性能都会随着研发的深入而提高。为此我们需要正确地预测材料的微观结构，即正确预测组成该材料的原子和分子的行为。目前，开发新材料的方式是在经典计算机上使用近似模型进行模拟，以及进行大量实验等。也可以通过量子力学描述原子和分子的行为。这就意味着只要能够通过量子力学对材料进行模拟，因为材料由大量原子和分子构成，而这些原子和分子又会因各种相互作用而相互影响，因此通过量子力学对材料进行实际建模的过程异常复杂。如果使用经典计算机计算原子的行为和分子的行为，就会花费大量的计算时间。

由于量子计算机底层就是基于量子力学运转的，所以量子计算机能够以远超经典计算机的速度执行量子化学计算。

3.量子比特实现

量子计算机的制造过程要复杂得多，量子计算机既需要量子比特，又需要执行量子操作。要利用量子力学的状态来制备量子比特，并通过控制量子态来实现量子化操作，量子态非常脆弱，实现量子比特非常复杂。目前主流的量子比特的实现方法有：超导电路，囚禁离子，光学量子等。

3.1超导电路

一些金属冷却至极低温度后就会进入零电阻的超导状态。超导状态是一种只能用量子力学来解释的物理现象。由处于超导状态的金属制成的电子电路会呈现明显的量子性，因此通过超导电路可以实现量子比特。

实现量子比特的超导电路主要由铝和铌等金属组成。为了让电路进入超导状态，需要将集成了超导量子比特电路和控制电路的芯片（量子芯片）冷却至极低温度（几毫开的低温），因此需要将量子芯片放入特殊的制冷机中使其正常运行。fluxonium 超导量子芯片原理图如下：

3.2囚禁离子

以超高真空中囚禁的原子离子为量子比特的载体，极大程度隔离了外部环境干扰，离子量子比特具有极高的稳定性，可实现超长的相干时间。利用高度可控性的光与离子相互作用，离子量子比特上的量子逻辑操作也具有极高的保真度，同时离子量子比特间耦合的高连接密度也使得其可以更加高效的运行量子任务。下图是南方科技大学量子科学与工程研究院离子阱量子计算实验室的囚禁离子系统的量子计算。

3.3光学量子

光量子计算是通过光学逻辑门进行操作，主要通过光学偏振片实现，光学量子计算主要以光子的偏振自由度、角动量等作为量子比特的变化量测对象。于囚禁离子、超导电路等类型的量子计算机相比，光学量子计算机的最大的优势是：可在室温下、空气中运行，能克服量子噪声极限，结构亦相对比较简单。

我国的量子计算机“九章”使用的是光量子计算，它的原理如下：

4.量子计算机的组成

量子计算机将解决传统计算机难以解决的问题，并成为传统计算机系统的一部分（就是说量子计算机将被集成到系传统计算机统中）。现阶段，人们普遍认为量子计算机属于专用机器，就是说量子计算机仅是种用于“快速求解某些特定问题”的机器。

从理论上来讲，量子电路模型可以描述通用的量子计算，量子计算可以由传统计算机完成的计算，可以由量子计算机来完成。但是量子计算机运行量子计算的速度将远超传统计算机，现阶段主要是使用量子计算机来辅助经典计算机。

由超导电路构成的IBM量子计算机如图下图所示，这类量子计算机不仅需要使用大型冷却装置，还需要用到大量的控制装置。

IBM量子计算机结构示意图如下：

5.量子计算机不是“万能药”

对于一些特殊的复杂的问题，如量子化学计算、复杂物理现象模拟等问题，传统计算机处理起来会非常棘手，往往需要大量的时间。然而这些问题中的一些问题恰好是量子计算机所擅长的，这些问题如果使用量子计算机处理会极大的提高处理效率。

需要注意的是，传统计算机面临的棘手问题，量子计算可以提升部分问题的处理速度，但并不能将这些问题全部解决。即使是量子计算机，同样也会面临许多难以求解的问题。因此量子计算机并不是“万能药”，我们要利用量子计算机的长处去解决量子计算擅长领域的问题。

量子霸权

量子霸权是指量子计算相较于经典计算机体现出的优越性。实现量子霸权是量子计算发展的重要里程碑。

2020年12月4日，《科学》上发表了一篇关于量子计算机的重磅论文，中国潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队和中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”。

“九章”已经实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解！其速度比目前的超级计算机计算速度快一百亿倍，比去年谷歌发布的53个超导量子比特计算机“悬铃木”快一百亿倍，中国的量子计算机已经达到了事实上的“量子霸权”！

6.量子计算机的发展

纵观量子计算机的发展，基于量子力学的技术应用和量子计算机的开发尚处于初级阶段，还需要我们持续投入研发。在可以预见的未来，量子计算机将解决在材料、生物、数学等领域的长期难题。借助量子计算机人类可以模拟一些蛋白分子折叠情况，帮助治疗阿尔茨海默症、帕金森症等，还可从体量巨大、结构繁多的数据中心，挖掘规律、发现模式，从而找到复杂区域的最优解，找到某种材料的最稳定状态。

量子计算机作为人类的新工具，目前只能算作“星星之火”，虽有光亮，但很微弱，然而“星星之火，可以燎原”，通过对量子计算机的深入研究与探索，必然点燃人类通往未知世界的熊熊火炬，照亮其中隐藏的自然法则，带领人类走向星辰大海！

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