瞭看 | 瞭看独家见证：超导量子计算原型机诞生
工作人员正在安装超导量子计算原型机（2022年8月8日摄） 金立旺摄/本刊
量子计算的人才库还很小，需要物理、数学、软件、电子学、光学、超导素材、微纳加工等领域的人才投进进来共同研究，“也许哪一天有个天才就发明了更优异的量子算法，玩着玩着就推动了科技进取”
文 |《瞭看》新闻周刊记者 董雪 许东远 屈彦
“你小时候一定看过超级英雄动漫《恐龙战队》，里面的宇宙正义使者Zordon（音译为佐藤）神似量子计算机，他的形态就是罐子里有个大脑。”向记者介绍眼前的超导量子计算原型机时，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志团队的“90后”博士后徐昱脱口说出自己的童年回忆。
近日，《瞭看》新闻周刊记者走进中国科学技术大学超导量子计算实验室，独家见证了一台超导量子计算原型机的诞生：接近200根金属连接线如同“神经元”，被研发人员一一对应、小心翼翼地接到“大脑”量子处理器上，再为它一层一层套上“罐子”。等到安装完成，“罐子”将为聪明但敏锐的“大脑”发明一个接近绝对零度的环境，让它不受骚乱地“活”下往。
中国科学技术大学堪称超导量子计算原型机的“超级工厂”，在过往五六年已经搭建出10余台超导量子计算原型机。上一个作品是大名鼎鼎的“祖冲之二号”，求解“量子随机线路取样”任务的速度比当时全球最快的超级计算机快一千万倍以上，这是中国超导路线“量子优越性”的里程碑。
眼前正在组装的这台全新的超导量子计算原型机，在性能方面以“祖冲之二号”为目的，调试成功后计划接进量子计算云平台，开放给其他科研机构以及公众使用。团队期看，在使用过程中，“也许哪一天有个天才就发明了更优异的量子算法，玩着玩着就推动了科技进取”。
见证超导量子计算原型机诞生
走进超导量子计算实验室，记者看到，布置简洁的房间，摆放着一台被拆开的稀释制冷机、一颗等待安装的量子处理器、一排机箱状的电子学设备——此次装机的主角。
被拆开的稀释制冷机悬挂半空。从上往下共有四层依次变小的金属圆盘，又细又密的金属线贯穿其中，一端连着电子学设备，另一端垂在底部等待安装量子处理器。
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“超导量子计算原型机跟电脑很像，电子学设备相当于电脑主板，由它向量子处理器发号施令，量子处理器运算好再回传给它。而且，超导量子比特可以人工制造，与集成电路制造工艺相通。”徐昱介绍，在量子计算的多种技术路线中，超导是最像经典计算的一款，被认为是有可能率先实现实用化量子计算的方案之一。
团队博士李少炜小心翼翼地从盒子中取出量子处理器，正方形，手掌大小。团队摘用倒装焊3D封装工艺，实现大规模比特集成，封装好的金属外壳上排布着很多接线孔，看不到内部结构。就像电脑处理器里精美排布着大量晶体管，量子处理器内部精美排布的是一种名为约瑟夫森结的核心元器件，每个量子比特中都包含了一对约瑟夫森结。
徐昱介绍，两层铝中间夹一层氧化铝，一个约瑟夫森结就做好了。它的大小不到一微米，是“超导体-非超导体-超导体”的“三明治”结构。当温度降低到接近绝对零度时，铝会显现出超导性，具体表现为电阻变成零，能制备出量子态。
安装耗时接近2个小时，看似波澜不惊，其实紧张细致。连接线总共接近200根，李博士全程都在拿着工具接线，接错一根，就可能导致一个量子比特不能正常掌握，影响性能。
“和‘祖冲之二号’一样，这台量子处理器设计有176个量子比特，其中有66个数据比特，110个耦合比特来掌握量子耦合的开启和关闭，还有一些读取信号输进和输出的线。每根线有编号，与接线孔一一对应。”李少炜说。
终于到套“罐子”最后一步，这让记者联想到俄罗斯套娃。两三个科研人员从最小号的罐子开始，一层一层给稀释制冷机套上外壳。先托住底部的两层圆盘，再套中号罐子多盖住一层圆盘……直到最后一层、最大的罐子。
正式运行时，稀释制冷机内部处于真空状态，温度只通过金属部分来传递。“我们的目的温度是接近绝对零度（零下273.15摄氏度），用液氦层层降温。”徐昱说，圆盘间的降温非常精美，“倒数第三层已经非常接近绝对零度了，只高0.8度，最后一层要把温差缩小到0.01度。”
快！还能更快！
装在“冰柜”里才能运行的庞然大物，很轻易让人联想到人类科技史上的第一台计算机——1946年诞生的埃尼阿克，它大到布满了整个房间，形态和功能都处于非常初级的阶段，但意义特殊。
时至今日，计算机的形态代代更迭，但是人们对其运算能力的追求并没有改变：快！还能更快！而这也正是量子计算令人着迷的原因。
“即使是现在的初级阶段，量子计算原型机处理某些特定问题的速度已经超越了超级计算机，学界称之为实现‘量子优越性’。”徐昱说。
量子计算的核心研究目的是增加可操纵的量子比特数量，并提升操纵的精度，最终使用于实际问题。实现“量子优越性”的技术难度，是量子计算研究的一个分水岭，一般需要比特数目达到50个左右。
从原理上看，操纵N个量子比特的量子计算机，可以对2的N次方个数据同时进行数学运算，相当于经典计算机重复实施2的N次方次操作。经典计算机的所有语言都可以用0和1组成的代码来存储和传输，信息的最小单元喊做比特，一比特只有一个特定状态，要么是0，要么是1。而量子比特是0和1的叠加态，它既是0又是1。
徐昱告诉记者，由于可操纵的比特数目还处于初级阶段，学界为使其更早地展现出优势，想到了“量子随机线路取样”“玻色摘样”等特定问题。他以“量子随机线路取样”为例形象地打了个比方，就像掷出一颗量子骰子求结果，N个量子比特相当于量子骰子有N个面。
2019年9月，谷歌公司研制出的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”在全球首次实现了量子优越性。它对一个量子随机线路取样一百万次用了200秒，而当时世界排名第一的超级计算机“顶点”需要一万年。
2021年10月，由中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队与中科院上海技术物理研究所、科大国盾量子公司协作构建的66比特的“祖冲之二号”，不仅代表中国实现超导路线的量子优越性，而且大幅刷新了“悬铃木”的运算纪录。
“计算复杂程度方面，‘祖冲之二号’比当时的‘悬铃木’提高了6个数量级。运算速度方面，‘祖冲之二号’比超算快7个数量级，‘悬铃木’跟超算比只快3个数量级。”徐昱说。
据介绍，实现量子优越性，标志着量子计算研究进进到发展的第二阶段，即开始量子纠错和近期使用的探索，“祖冲之二号”为量子纠错并进一步实现通用量子计算奠定了基础。同时，“祖冲之二号”的并行高保真度量子门操控能力和完全可编程能力，有看找到有实用价值的使用，预期包括量子机器学习、量子化学等。
开放前沿装置共同探索量子计算
装机前，记者在中国科学技术大学转了一圈，其貌不扬的实验楼里大有乾坤。记者看到了“祖冲之二号”，它有节奏地发出“库哧-库哧-库哧-库哧……”的运行声，如同美好音符，叩响颠覆性快速运算的大门。“祖冲之号”等计算机也都在这里，如同超导量子计算原型机的基地。
从2017年诞生第一台超导量子计算原型机算起，团队平均每年至少产出一台。假如把它们都摆在一起可以很清楚地看到转变：比特数目从10到66，稀释制冷机从“小瘦子”到“大胖子”，电子学设备从一列到多列。
与之相伴，科研团队的人才队伍越来越壮大，技术也一步一步升级。以徐昱专注的电子学领域为例，最初是直接在传统设备上做微改造，现在由团队自行研发、专门定制，实现了从“能用”到“好用”的进取。此外，相关成熟的电子学技术授权给科大国盾量子技术股份有限公司等中国科大的成果转化企业，将科技成果转化成工业产品，在量子计算原型机研发中磨炼出相应的工程体会和集成能力，进而服务于国内其他高校和科研院所等，助力中国量子信息领域研究共同进取。
记者摘访了解到，该团队在超导量子计算领域有两方面计划：
——首先是陆续攀登量子计算的科技高峰。
量子计算机的研制目的分为三个阶段，第一阶段“量子优越性”已经实现。目前刚刚开始第二阶段，开始量子纠错和近期使用的探索。目的是操纵的量子比特数目达到数百、数千个，实现专用量子模拟机，使用于组合优化、量子化学、机器学习等有实用价值的特定问题，指挥新素材设计、药物开发等。
“经典计算机运算是有差错率的，因为具备自动纠错能力，所以不会影响使用。在目前已知算法条件下量子计算原型机具备良好的自动纠错能力需要比特数目达到数千个。”徐昱说。
徐昱介绍，比特数目只是衡量超导量子计算机性能的指标之一，另外两个不可或缺的指标是高保真度和长退相干时间。退相干时间代表量子比特的寿命，即能继续运算的时长。保真度意味着正确率，假如保真度不够高，多次运算的错误率会很高，量子计算也就失往了意义。
进一步展看，第三阶段是通用可编程的量子计算阶段，即可操纵数亿位量子比特且可容错的量子计算机，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发扬浩大作用。
完成三个阶段，意味着人类实现量子计算的梦想，将是人类实现第二次信息革命、全面进进量子信息时代的标志。
——另一方面的计划，与此次装机有关。这台全新组装的超导量子计算原型机打造完成后将上线中国科学院量子信息与量子科技创新研究院量子计算云平台，供更多人才和用户共同探索量子计算的使用。
团队用抛砖引玉来形容量子云平台。量子计算的人才库还很小，需要物理、数学、软件、电子学、光学、超导素材、微纳加工等领域的人才投进进来共同研究。
装机完成，意味着此台超导量子计算原型机完成硬件安装工作。接下来要做的就是整机联调，包括确认量子比特“活”了多少。据介绍，最初设计的比特数目不能直接代表性能，因为不是每个比特都能“活”，只有实际运行中能用的比特才算数。
等这台超导量子计算原型机上线，公众可以免费在上述量子计算云平台注册，即可使用量子计算原型机进行运算、编写量子计算程序等，学习和探索量子计算的使用算法，开放模式与服务科学研究的大科学装置类似。
“我们期看开放一台处于第一科技梯队的超导量子计算原型机，让公众真正感受到前沿量子信息技术的发展，吸引更多其他领域的人才和用户往使用它、挖掘它、探索它在实际生活中的用处。”徐昱说。■