中國量子計(jì)算機(jī)發(fā)展調(diào)查

中國量子計(jì)算機(jī)發(fā)展調(diào)查

目錄

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

2.本源悟源量子計(jì)算機(jī)外景............................................................................2

3.美國IBM公司的量子計(jì)算機(jī).........................................................................3

4.經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展陷入頹勢(shì)............................................................................5

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

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

5.量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)..................................................................................9

6.量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展..................................................................................11

7.中國科學(xué)院院士潘建偉和量子計(jì)算機(jī)合影............................................................12

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

9.“九章二號(hào)”量子計(jì)算機(jī)..............................................................................14

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

11.谷歌懸鈴木量子計(jì)算機(jī)............................................................................16

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

1.什么是量子計(jì)算機(jī)？我國量子計(jì)算機(jī)離國際領(lǐng)先水平有多遠(yuǎn)？

“遇事不決，量子力學(xué).”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(xué)是一種玄而又玄的東西。

其實(shí)，與普通人對(duì)量子力學(xué)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(tái)國產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)即將問世。

第1頁共16頁

2.本源悟源量子計(jì)算機(jī)外景

這臺(tái)新的國產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)被命名為“悟空”，由合肥本源量子計(jì)算科技有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱

為“本源量子”）建造生產(chǎn)，本源量子是中國第一家量子計(jì)算公司。

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

章”“祖沖之”系列量子計(jì)算機(jī)到底有何不同？我國量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)

許多人并不了解量子計(jì)算機(jī)有多么重要，只是時(shí)不時(shí)聽說國內(nèi)外有關(guān)量子計(jì)算機(jī)的新聞，舉個(gè)

通俗的例子，你可以把量子計(jì)算機(jī)視為是“信息時(shí)代的原子彈”。

第2頁共16頁

3.美國IBM公司的量子計(jì)算機(jī)

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

科技最發(fā)達(dá)的國家舉例，“曼哈頓計(jì)劃”作為美國的原子彈計(jì)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(jì)算機(jī)研發(fā)計(jì)劃，正式命名為了“微型曼哈頓計(jì)劃”，由此可見美國有多么重視

量子計(jì)算機(jī)。

第3頁共16頁

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

落后呢？越來越多國家開始重視量子計(jì)算機(jī)的背后，是因?yàn)榕c經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)具有無

與倫比的優(yōu)勢(shì)。

第4頁共16頁

所謂量子計(jì)算機(jī)，是一類以量子力學(xué)規(guī)律為指導(dǎo)，進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、處理及存儲(chǔ)量子

信息的計(jì)算機(jī)。與普通計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)能存儲(chǔ)更多的比特，隨著量子比特?cái)?shù)的增加，量子

計(jì)算機(jī)的處理能力將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

4.經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展陷入頹勢(shì)

如今的時(shí)代是數(shù)據(jù)的時(shí)代，我們無時(shí)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(jì)算機(jī)的發(fā)展，主要依靠加強(qiáng)晶體管集成度，如今，這項(xiàng)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。

第5頁共16頁

4.1.技術(shù)發(fā)展本身即將達(dá)到峰值

以經(jīng)典計(jì)算機(jī)（也就是我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫挠?jì)算機(jī)）為例，想要增強(qiáng)計(jì)算能力，唯一的方法

是通過加強(qiáng)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(dá)到最高限

度，便不能繼續(xù)進(jìn)行下去，只能另辟蹊徑。

第6頁共16頁

目前，世界上最先進(jìn)的用晶體管尺寸已達(dá)3個(gè)納米，預(yù)計(jì)未來10年內(nèi)，其就將達(dá)到亞納米尺

寸，屆時(shí)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(jìn)步成本太高

除了技術(shù)發(fā)展本身受限之外，經(jīng)典計(jì)算機(jī)所依賴的集成晶體管，其技術(shù)進(jìn)步成本實(shí)在太高。

以手機(jī)芯片舉例，現(xiàn)階段，雖然三星和臺(tái)積電都先后宣布實(shí)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(xiàng)奢侈的技術(shù)買單，因?yàn)槌杀緦?shí)在太高。

第7頁共16頁

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

億），作為對(duì)比，臺(tái)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(jì)算在內(nèi)。

摩爾定律的提出者戈登?摩爾

第8頁共16頁

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(gè)

月，在價(jià)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(shí)間，就能以同樣的價(jià)格，在單位面積內(nèi)買到數(shù)量更多、單價(jià)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(jī)芯片舉例，據(jù)行業(yè)媒體Semianalysis測(cè)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(shí)現(xiàn)性能翻倍的目標(biāo)，而且也沒有讓單個(gè)晶體管的成本下降，甚至還增加了約40%的成本。

5.量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)

雖然集成晶體管技術(shù)的發(fā)展己經(jīng)陷入頹勢(shì)，但短期內(nèi)仍然是計(jì)算機(jī)的主流方向，因?yàn)榧词箚我?/p>

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(shí)

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

我們?cè)谡J(rèn)識(shí)量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)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(jì)算機(jī)，并不是為了完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而是為了完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的任務(wù)。

一般而言，量子計(jì)算機(jī)更擅長(zhǎng)的是海量數(shù)據(jù)的并行運(yùn)算，以及模擬各種分子級(jí)原理，這些任務(wù)

對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言，則處理起來十分困難。

第9頁共16頁

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

費(fèi)15萬年的時(shí)間，而使用量子計(jì)算機(jī)則只需要1秒而己；國產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)“九章二號(hào)’求解高斯玻

色取樣的速度，要比目前世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快10的24次方倍（億億億倍）。

而在簡(jiǎn)單的加減乘除、運(yùn)行游戲、播放視頻電影等功能的處理方面，量子計(jì)算機(jī)并不比經(jīng)典計(jì)

算機(jī)快多少，可以預(yù)見，在未來的一段時(shí)間內(nèi)，這些簡(jiǎn)單的運(yùn)算任務(wù)，仍然還是要交給經(jīng)典計(jì)算機(jī)

處理，而量子計(jì)算機(jī)則是要專心于處理一些特定問題上，真正用在“刀刃”上。

第10頁共16頁

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

量子計(jì)算機(jī)，因此量子計(jì)算機(jī)并不一定要進(jìn)入普通家庭，我們普通人平時(shí)使用的計(jì)算機(jī)，仍然還會(huì)

是以經(jīng)典計(jì)算機(jī)為主。

6.量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展

據(jù)了解，量子計(jì)算包括超導(dǎo)、光量子、離子阱、半導(dǎo)體、拓?fù)涞榷鄺l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?yàn)榱孔佑?jì)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(diǎn)可以肯定，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展將主要經(jīng)歷三個(gè)階段：

第11頁共16頁

7.中國科學(xué)院院士潘建偉和量子計(jì)算機(jī)合影

1、研制50個(gè)到100個(gè)量子比特的專用量子計(jì)算機(jī)，實(shí)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(gè)具體問題而言，新生的量子計(jì)算原型機(jī)的計(jì)算能力，可以超過最強(qiáng)的

經(jīng)典計(jì)算機(jī)，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(jì)算原型機(jī)“九章”已經(jīng)

成功幫助我國實(shí)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(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國

家。

2、研制可操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，解決一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任、具有重大實(shí)用

價(jià)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(cuò)能力，研制可編程的通用量子計(jì)算機(jī)。

第12頁共16頁

8.本源超導(dǎo)24比特量子芯片

目前，世界上所有的量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，雖然其“悟空”芯片理論上會(huì)高于64比特位數(shù)，但離第二階段可操縱數(shù)百個(gè)量子比特的目

標(biāo)，仍然有相當(dāng)長(zhǎng)一段距離。

我國量子計(jì)算機(jī)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(jì)算、量子通信、量子精密測(cè)量三大領(lǐng)域，我們現(xiàn)在全方位

都處于世界第一梯隊(duì)。

雖然我國量子計(jì)算之前處于相對(duì)落后的地位，但隨著“九章”“祖沖之”系列量子計(jì)算機(jī)的成功，

我們?nèi)缃裨诹孔佑?jì)算機(jī)研究領(lǐng)域已經(jīng)正式邁入了世界第一梯隊(duì)。

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

此與IBM、谷歌這些量子計(jì)算賽道里面最強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)相比，以本源量子為代表的國內(nèi)團(tuán)隊(duì)，目前仍然

處丁?追趕國外流水平的地位。

第13頁共16頁

9.〃九章二號(hào)〃量子計(jì)算機(jī)

因?yàn)殡m然量子計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的硬件，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)從誕生之初，就一直被國外先進(jìn)企業(yè)牢牢掌握優(yōu)勢(shì)，所以

我們?cè)谟布矫媸嵌贪?，這也是直以來制約國產(chǎn)量了計(jì)算機(jī)發(fā)展的主耍因素。

“倍空”量子計(jì)算機(jī)的新嘗試

之所以把“悟空”稱之為國內(nèi)最強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)，是因?yàn)樗俏覀儑业谝粋€(gè)可以走出實(shí)驗(yàn)室的量

子計(jì)算機(jī)，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.

第14頁共16頁

10.本源工作人員調(diào)試悟源計(jì)算機(jī)

與“九章”系列量子計(jì)算機(jī)采用光學(xué)技術(shù)路線不同，“悟空”采用的是超導(dǎo)技術(shù)路線，簡(jiǎn)單理解就

是用電學(xué)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(jì)算機(jī)公司采用的是同一技

術(shù)路