科技史上的今天 | 2021·5·8世界之最“祖冲之号”问世

2021年初夏，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院的潘建伟、朱晓波、彭承志等科学家，他们集结在一起，为了一个共同的目标努力着。同年5月，他们成功研制出了“祖冲之号”——这台超导量子比特数量傲视全球的量子计算原型机，操纵的超导量子比特高达62个，实现了二维量子行走的可编程化。

量子计算原型机——“祖冲之号”

中国的量子科技研究终于站在了世界的前沿，成为了全球量子技术革命的重要推动者。这不仅是一次技术上的突破，更是中国在第二次量子革命浪潮中崭露头角的重要时刻，标志着中国在量子科技领域已经跻身世界第一梯队。

什么是量子计算机？

不同于我们日常所使用的传统计算机，量子计算机利用量子相干叠加原理，理论上具有超快的并行计算和模拟能力，为我们打开了一个全新的世界。

量子计算机和传统计算机有着根本的区别。传统计算机通过电路的开和关来进行计算，我们所看到屏幕上的图像、所输入的汉字，在硬件电路中都会被转换成1和0，再进行传输、运算、存储。然而，量子计算机的计算形式却截然不同，它以量子的状态作为计算形式，目前使用的基本粒子包括原子、光子等。

2020年年底，我国研究团队成功研制出了量子计算原型机“九章”，它使用的就是光子。这一重大突破标志着我国在量子计算领域取得了领先世界的成果。那么，“九章”的算力究竟有多强大呢？实验结果显示，它在处理特定问题的速度上，比目前排名世界第一的超级计算机要快100万亿倍。

为了更好地理解这一速度的优势，你可以想象一下：如果传统计算机的速度如同缓慢的自行车，那么量子计算机的速度就如同疾飞翱翔的飞机。举个例子，一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力，甚至超过了目前最快的“神威·太湖之光”超级计算机。

然而，量子计算机并不仅仅是速度快。它的出现，可能会颠覆我们对计算的理解和利用方式。在药物研发、天气预报、人工智能等领域，量子计算机都将发挥出无法估量的巨大潜力。这正是量子计算机给我们带来的无穷想象和无限可能。

“祖冲之号”量子处理器

“世纪幽灵”量子有多神奇？

在深邃的微观世界中，有一种力量，它如幽灵般难以捉摸，却真实存在。它就是量子，那个构建我们物质世界的基本单元。曾几何时，量子是那样地深奥和陌生，如今，它已经成为了全球最前沿科技的代表，悄然改变着我们的生活。

当我们深入探索这个微观世界，不禁要问：量子究竟是什么？在宏观世界里，我们看到的是一整片明亮的光，然而在微观世界中，这片光被分解成了无数光子，它们以粒子状态存在，每一个光子都是一个量子。可以说，我们每一次举手投足，甚至每一次呼吸，都有上万亿的量子在移动。它们无形无迹，却又无处不在，因此被人们称为“世纪幽灵”。

“祖冲之号”二维超导量子比特芯片示意图

那么，量子有哪些神奇特性呢？中国科学院物理研究所固态量子实验室主任范桁曾用一个例子来解释：一个圆柱体水杯，从正面看是矩形，但从顶部看却是圆形。这就好比量子的不确定性，从不同的角度观察，可能会得到不同的状态。而且，任何外部的探测都可能对量子状态产生干扰。此外，量子还具有波粒二象性、量子隧穿、量子纠缠、量子叠加等特性。

既然量子如此神奇，那么它有哪些实际应用呢？科学家们利用量子的“量子叠加”原理，开发出了超导量子计算机。这就像孙悟空的分身术一样，一个量子可以同时存在于多种状态，当遇到大量敌人时，孙悟空从脑后拔出三根救命毫毛，变出无数分身，一群猴子一起打妖怪，战斗力自然是几何级提升。而量子计算机也利用这个原理实现并行运算，比如处理10的90次方这样的大数，它比宇宙中所有粒子数还多。在数字的宇宙中，存在着一些让人望而生畏的天文数字，它们庞大到让人无法想象，复杂到让最强大的计算机也束手无策。而现在，人类正面临着这样一个挑战：分解一个前所未有的天文级大数。

这个数字之大，即便是用世界上最快的普通计算机来分解，也需要耗费长达15万年的时间。这是一个令人望而生畏的数字，也是一个让无数数学家和计算机科学家头疼的难题。

科研人员正在组装超导量子计算机

然而，随着科技的飞速发展，人类已经看到了希望的曙光。未来的量子计算机，这个充满神秘色彩的新兴科技，或许将成为解决这个难题的关键。与传统的计算机不同，量子计算机利用量子力学的原理，能够在数秒内完成这个看似不可能的任务。而这个突破性的成就，将为加密和网络安全领域带来革命性的变化。

中国跻身量子科技领域第一梯队

2021年5月8日，潘建伟研究团队创造了一项历史性的成就。他们以自主研制的二维结构超导量子比特芯片为基础，成功构建了全球超导量子比特数目最多的可编程超导量子计算原型机--“祖冲之号”。这个壮举展现了我国在量子科技领域的卓越实力。

潘建伟院士

“祖冲之号”拥有62个可操纵的超导量子比特，比谷歌的“悬铃木”型量子计算机的53个量子比特还要多。这一成果不仅彰显了“祖冲之号”在量子比特数上的优势，更能表明我国在超导量子系统技术上已走在世界前列。

该原型机的一项重要成就是成功进行了二维可编程量子行走的演示。这一突破性的实验为量子计算在解决具有重大实用价值的问题上铺平了道路。无论是大数据优化、天气预报、材料设计、密码破译还是药物分析等领域，量子计算都有着巨大的应用潜力。

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“祖冲之号”的成功研制，不仅为我国量子计算领域的发展注入了强大动力，更展示了量子科技的无限可能性和未来前景。