2024年8月，谷歌發(fā)表論文宣布在量子計算領(lǐng)域取得重大突破，僅一個星期后，美國政府就強化了對中國量子計算的出口管制，與量子計算相關(guān)的一切——從設(shè)備、組件、材料到軟件和技術(shù)——都不許向中國出口。

      量子計算已成為全球科技競爭的戰(zhàn)略高地，在關(guān)鍵設(shè)備的禁運和技術(shù)的重重封鎖下，中國科研工作者們還是以驚人的速度追趕并縮小了與國際先進水平間的差距，并在一些重要領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了自主化突破。

      但不可否認的是，差距依然存在，我們須保持清醒的認識和緊迫感。量子計算不僅將重塑全球信息技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，也將對世界經(jīng)濟、國家安全戰(zhàn)略乃至人類社會的未來產(chǎn)生深遠的影響。世界正在為迎接一個超大算力的量子時代做準備，當技術(shù)壁壘的高墻難以撼動，我們能做的就是扎下根來。

2024年12月9月，谷歌向市場拋出了一顆重磅炸彈，其最新發(fā)布的量子計算芯片“柳木”（Willow）可以在5分鐘內(nèi)，解決一臺傳統(tǒng)超級計算機大約10的25次方年才能解決的問題。而比性能上的突破影響更為深遠的，是谷歌在Willow芯片上解決了一個更重大的課題，實現(xiàn)了低于表面碼閾值的量子糾錯。盡管這些技術(shù)名詞對普通公眾來說可能顯得陌生，但它們確實為未來建造更大、更復雜的量子計算機奠定了堅實的基礎(chǔ)。

這一消息發(fā)布后，甚至讓比特幣的價格一度出現(xiàn)大跌。雖然這一擔憂有些過于“超前”了，但它確實也反映了這樣一個事實，那就是隨著摩爾定律逐漸逼近物理極限，傳統(tǒng)硅基計算機性能的提升速度已經(jīng)顯著放緩，作為下一代計算技術(shù)的量子計算，如今已經(jīng)成為全球各國和各行業(yè)關(guān)注的核心焦點，甚至成為大國科技競爭的新戰(zhàn)場。

第二塊里程碑

2019年，谷歌高調(diào)宣布其已經(jīng)實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”（Quantum Supermacy），在進行一項名為隨機線路采樣（Random Circuit Sampling，RCS）的任務中，量子計算機只花了200秒就解決了問題，而對同樣的問題，傳統(tǒng)計算機卻需要花費一萬年的時間來解決，證明了量子計算機在處理特定領(lǐng)域的問題中，相比傳統(tǒng)計算機具有顯著的優(yōu)越性。

谷歌使用的“懸鈴木”量子計算機

為什么量子計算機能如此高效地完成任務，需要先理解其背后的原理。

假如現(xiàn)在有一個復雜的、四通八達的管道，而我們想要知道把水同時從所有入口灌入網(wǎng)絡(luò)后，在所有出口的流量分布會是什么樣子。傳統(tǒng)計算機的做法就是逐點地去模擬“水的流動”，先把管道的網(wǎng)絡(luò)圖在電腦中逐段拆解、再用流體力學公式去精確計算每一段管道里可能的流量、壓力、干擾和湍流…一旦管道的數(shù)量和分支大幅增長，所需的計算量就會爆炸式地增長，讓模擬變得極其耗時。

而量子計算機的做法，就是直接搭建一個真實的管道，往里面實際灌水，最后在出口處測量流量的分布。

谷歌的隨機線路采樣任務可以看作上述管道類比的量子版應用，這里的“四通八達的管道網(wǎng)絡(luò)”對應隨機量子電路中錯綜復雜的量子門和連線方式。由于量子計算機本身是基于真實世界的量子力學規(guī)律構(gòu)建的，因此它們能夠更自然、更快速地處理這些問題，不需要額外“解方程”就可以得到答案。

這就是量子計算的其中一種應用，量子計算以獨特的量子位和量子態(tài)及其轉(zhuǎn)換，加速數(shù)據(jù)搜索和大整數(shù)分解，可以獲得超高性能的信息處理能力。它或許不一定能讓我們打游戲變得更流暢，但在現(xiàn)實中有許多復雜的問題，諸如發(fā)現(xiàn)新藥物、設(shè)計先進材料、優(yōu)化供應鏈、模擬氣候、破解密碼、機器學習等，如果使用經(jīng)典計算機，則需要消耗大量的算力進行運算，而利用量子算法可以提供一個更為高效的解決方案。

然而，盡管量子計算已經(jīng)展現(xiàn)了巨大的潛力，但它們距離廣泛的應用還有很長的路要走。

2020年，谷歌曾在其網(wǎng)站上發(fā)布過一張“路線圖”，勾勒了量子計算從實驗室到大規(guī)模應用之間需要幾個關(guān)鍵節(jié)點。

在這份路線圖上有六個重要的“里程碑”，排在首位的是“超越經(jīng)典”（Beyond Classical），也就是證明量子計算機在解決特定問題上，具有超越傳統(tǒng)計算機的能力，能做到傳統(tǒng)計算機難以做到的事。2019年谷歌所證明的“量子霸權(quán)”（也叫“量子優(yōu)越性”），就是這其中的第一塊里程碑，但處在這個階段的量子計算機還是無法被大規(guī)模地應用，因為它尚且還不具備可擴展性和容錯能力。

傳統(tǒng)計算機使用晶體管作為基本的物理組件來構(gòu)成更復雜的電路，而與之相對地，量子計算機中最小的計算單位則是量子比特（qubits）。量子比特的運行速度極快，但也十分脆弱，很容易受到振動、溫度和電磁場等微小擾動的影響而迅速退相干（decoherence），導致錯誤頻出。使用的量子比特越多，發(fā)生的錯誤也就越多。

這一限制使得現(xiàn)階段的量子計算機，都難以穩(wěn)定地執(zhí)行復雜的運算任務。換句話說，想要實現(xiàn)大規(guī)模的量子計算，實現(xiàn)有效的糾錯是必須要完成的“前置條件”，這就是量子計算需要征服的第二塊“里程碑”——量子糾錯。

傳統(tǒng)計算機也可能出錯，但工程師們已經(jīng)開發(fā)出了許多成熟的檢查和糾正機制，比如奇偶校驗、循環(huán)冗余校驗（CRC）、錯誤糾正碼（Error-Correcting Code）。但量子比特有一個特別的性質(zhì)：一旦你測量它，就會改變它的狀態(tài)。這意味著，如果我們試圖通過測量來檢查錯誤，就破壞原本的量子信息。而根據(jù)量子力學的基本原則，未知的量子態(tài)不能被精確復制，在傳統(tǒng)計算機中通過復制數(shù)據(jù)來進行糾錯的方法，在量子世界里也不適用。

有一種思路叫量子糾錯碼（Quantum error-correcting code，QECC），把量子信息分布在多個物理量子比特上，用大量的物理量子比特來編碼成一個“邏輯量子比特”，通過提供信息的冗余，來降低出錯的概率，延長量子比特的壽命。但量子糾錯需要編碼、制備輔助比特、探測錯誤和糾正錯誤等多種操作，每一步都可能帶來額外的錯誤，造成“越糾越錯”的尷尬局面。

換句話說，量子糾錯中也存在一個“盈虧平衡點”，只有在各個環(huán)節(jié)都完成高精度的操控，才能突破這個平衡點，讓量子糾錯“越糾越對”，否則就會“越糾越錯”。

2023年2月，谷歌團隊發(fā)表了一篇名為《通過擴展表面編碼邏輯量子比特來抑制量子誤差》（Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit ）的論文。在這篇論文中，研究人員在具有72量子比特的第二代“懸鈴木”（Sycamore）量子芯片上使用表面碼（Surface Code）進行量子糾錯。

表面碼（Surface Code）是一種先進的量子糾錯方法，就像是用量子比特編織了張大而復雜的“漁網(wǎng)”，我們不用挨個去檢查漁網(wǎng)的每個結(jié)點是否牢靠，而是直接通過觀察漁網(wǎng)的整體狀態(tài)，比如是否有斷裂或者褶皺，來判斷漁網(wǎng)是否有破損的跡象。就算單個結(jié)點出了問題，漁網(wǎng)的整體功能還是可以保證。而這個漁網(wǎng)越大、結(jié)點越密，理論上出現(xiàn)問題所受到的影響就越小。

黃色格點是數(shù)據(jù)量子比特，藍色的格點負責檢查錯誤。當錯誤出現(xiàn)時，周圍的藍色格點變成了紅色

研究人員首先嘗試了碼距為3的表面碼，也就是使用3X3的物理量子比特來編碼邏輯量子比特（外加8個用于測量的量子比特，總共17個），然后再進一步，達到一個距離為5的表面碼（總共49個量子比特）。研究人員發(fā)現(xiàn)：相比碼距為3的時候，碼距為5的錯誤率降低了約2%到4%的水平，證明了更大的碼距可以帶來更低的錯誤率。

此后，谷歌的團隊又對硬件進行了大量的改進和優(yōu)化。2024年初，團隊在一顆具有72個量子比特的新芯片“柳木”（Willow）上進行測試，發(fā)現(xiàn)錯誤率降低的不止一點，而是40%多，再經(jīng)過幾個月的時間，團隊把這一數(shù)字提高到了50%。研究人員還想嘗試進一步擴大碼距會發(fā)生什么，但受限于硬件水平，碼距為7的表面碼需要49+48=97個量子比特，已經(jīng)超過了當時谷歌已有芯片的極限。

谷歌的表面碼網(wǎng)格示意圖，黃色為數(shù)據(jù)量子比特，其他顏色為測量量子比特

直到今年8月，擁有105個量子比特“柳木”芯片問世，在這顆新芯片上，研究人員創(chuàng)建了9個距離為3、4個距離為5以及1個距離為7的表面碼，而收集到的數(shù)據(jù)顯示，隨著表面碼碼距從3到5再到7的每一次拓展，編碼的錯誤率會以2.14的倍率呈指數(shù)下降，并且邏輯量子比特的壽命超過了所有組成它的物理量子比特的壽命，突破了量子糾錯的“盈虧平衡點”。

每周期邏輯錯誤隨表面碼距離d的變化

雖然“柳木”芯片的操作保真度約是“懸鈴木”的2倍，但其編碼錯誤率卻大幅改善了近20倍。從理論上說，人們可以通過構(gòu)建更多的邏輯量子比特，來實現(xiàn)更高的性能、更低的錯誤率以及更長的量子比特壽命，為量子計算機的大規(guī)模推廣應用打下基礎(chǔ)。

這項研究結(jié)果被記載于論文《低于表面碼閾值的量子糾錯》（Quantum error correction below the surface code threshold ）中，并在今年的8月份發(fā)表在了預印本平臺arXiv上。這項研究成果與2023年2月所發(fā)布的研究一起，確立了量子計算領(lǐng)域的第二座重要里程碑——量子糾錯領(lǐng)域取得了重大的突破。

盡管還有許多重要的課題有待解決，容錯量子計算距離實用化還有不小的距離，但有了這些研究的打底，科學家們已經(jīng)可以更加自信地探討如何利用規(guī)模效應來推動量子計算的發(fā)展了。如同經(jīng)典計算機所經(jīng)歷的“摩爾定律”所描述的技術(shù)進步一樣，Google量子人工智能實驗室主任哈特穆特·乃文（Hartmut Neven）也曾提出過一個類似于摩爾定律的預測，認為量子計算能力的增長速度將呈現(xiàn)雙指數(shù)增長，遠超傳統(tǒng)半導體技術(shù)的指數(shù)級增長速率。通過不斷改善量子比特的性能、開發(fā)更先進的糾錯技術(shù)、構(gòu)建更多的邏輯量子比特，可以在量子比特數(shù)量大幅提升的同時，將錯誤率降至多個數(shù)量級以下。

在Google設(shè)定的第三個里程碑目標中，物理量子比特的數(shù)量將會超過上千個，同時100萬次計算中出現(xiàn)的錯誤將會少于1次。而在更遠的未來，要讓量子計算機的大規(guī)模應用成為可能，人類將至少需要100萬個物理量子比特，并且在10萬億次計算中出現(xiàn)的錯誤少于一次。

中國的位置

作為前沿科技的量子計算，正逐漸從理論研究向?qū)嶋H應用過渡，但要成為廣泛可用的工具還尚需時日，即使是最樂觀的預測也認為至少要到2030年，但科學家們已經(jīng)成功地邁出了其中至關(guān)重要的第一步和第二步。以谷歌為參照，中國的位置又在哪里？

2019年谷歌通過“量子隨機線路采樣”（RCS）的方式成功證明量子優(yōu)越性后，在2020年12月，中科大陸朝陽、潘建偉團隊在《科學》（Science）期刊上發(fā)表了名為《利用光子實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性》（Quantum computational advantage using photons ）的研究論文，使用專用量子計算機“九章”實現(xiàn)了高斯玻色采樣（Gaussian boson sampling）問題的快速求解，比當時最快的超級計算機快了一百萬億倍，使我國僅次于美國，成為了全球第二個證明“量子優(yōu)越性”的國家。

利用光子實現(xiàn)量子計算優(yōu)越性

隨后在2021年6月，中科大潘建偉、朱曉波團隊在arXiv上發(fā)表論文《超導量子計算處理器的強量子計算優(yōu)越性》（Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor ），使用最新研制的包含66個量子比特的超導量子計算機“祖沖之二號”，實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣”（RCS）任務的快速求解。

自從谷歌在2019年成功證明“量子優(yōu)越性后”，經(jīng)典計算機領(lǐng)域也迅速做出了“回擊”，研究人員們開發(fā)出了一系列更高效的經(jīng)典模擬算法，這些算法在某些情況下，能夠顯著縮小與量子計算結(jié)果之間的差距，使得最初的量子優(yōu)越性證明看起來不那么絕對。

而“祖沖之二號”的意義在于其重申了量子計算的潛力。對于同樣的RCS任務，“祖沖之二號”僅需1.2小時即可完成，而使用當時最先進且效率最高的張量網(wǎng)絡(luò)模擬方法的經(jīng)典超級計算機，則需要8.2年的時間來完成相同的任務，這意味著“祖沖之二號”的速度比傳統(tǒng)超級計算機快大約一千萬倍。中國成功繼谷歌之后，在超導量子計算機的路線上再次實現(xiàn)了對“量子優(yōu)越性”的證明。

超導量子計算處理器的強量子計算優(yōu)越性

在谷歌成功證明“量子優(yōu)越性”的兩年時間內(nèi)，中國科研團隊緊隨其后，并分別在兩條不同的技術(shù)路線上實現(xiàn)了對“量子優(yōu)越性”證明。在這之后，中國團隊也迅速地調(diào)整了方向，將重心轉(zhuǎn)向了對下一個挑戰(zhàn)——量子糾錯問題的攻克上。

2022年，中科大潘建偉、朱曉波、彭承志、陸朝陽等學者合作，在此前研發(fā)的祖沖之二號量子計算機的基礎(chǔ)上，推出了升級版本——“祖沖之2.1號”，并首次實現(xiàn)了碼距為3的表面碼的重復糾錯，將邏輯誤差率與未進行任何糾錯時的邏輯誤差率相比減少了20%，證明了使用表面碼進行重復量子糾錯的可行性，為后續(xù)開發(fā)更加復雜和高效的大規(guī)模量子糾錯機制提供了重要的理論和技術(shù)支持。研究結(jié)果被發(fā)表在了2022年7月11日的《物理評論快報》 上，隨后谷歌團隊在2023年2月發(fā)布的關(guān)于第二代“懸鈴木”量子計算機的研究中，證明了碼距為5的表面碼糾錯能力超過了碼距為3時的表現(xiàn)，并且在論文中引用了中科大團隊的前期工作。

實現(xiàn)超導量子比特糾錯表面碼

2023年3月，南方科大的俞大鵬團隊在《自然 》期刊上發(fā)表論文，基于玻色編碼的量子糾錯方案，通過實時重復的量子糾錯技術(shù)延長了量子比特的壽命，在國際上首次突破了量子糾錯的“盈虧平衡點”。盡管這一成就沒有像谷歌前段時間發(fā)布的“柳木”（Willow）芯片那樣引起公眾廣泛關(guān)注，但在量子計算領(lǐng)域中同樣是一項具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)。

南科大團隊的這份研究相較于谷歌的工作，其獨特價值在于首次實證了量子糾錯技術(shù)能夠帶來正向的效益。在此之前，盡管量子糾錯一直是研究的熱點，學術(shù)界也進行了大量的研究，但即使經(jīng)過糾錯處理后，邏輯量子比特的壽命和錯誤率仍然遜于物理量子比特的表現(xiàn)。而南科大團隊經(jīng)過大量的調(diào)整優(yōu)化，證明了量子糾錯確實比沒有糾錯的最好的效果還要好，說明量子糾錯確實是一個正確的方向，意義十分重大。因此在今年的2月，南科大的這份研究被國家自然科學基金委員會認定為2023年度的“十大科學進展”之一。

用離散變量編碼的邏輯量子比特突破盈虧平衡點

而相較于南科大的這份研究，谷歌在今年8月公布的研究成果意義則在于，將此前使用玻色編碼的實驗結(jié)果進一步拓展 到了多量子比特的表面碼體系上，并首次在這一體系中實現(xiàn)了盈虧平衡點的突破。由于表面碼體系具備較好的容錯性和明確的擴展路徑，非常適合大規(guī)模量子計算的需求，被認為是超導量子計算技術(shù)發(fā)展理想的糾錯碼形式，是當前行業(yè)內(nèi)的主流發(fā)展方向，因此同樣具有十分深遠的意義。

而就在前不久的12月17日，潘建偉、朱曉波團隊發(fā)表預印版論文 ，與中科大、國家實驗室、國盾量子等九家單位聯(lián)合攻關(guān)，開發(fā)出了具有105個量子比特的祖沖之3.0號超導量子計算原型機，并成功執(zhí)行了更大規(guī)模的隨機電路采樣實驗，擴大了與經(jīng)典計算機的差距。目前國家實驗室正在基于“祖沖之三號”，準備在未來的幾個月內(nèi)實現(xiàn)碼距為7的表面碼邏輯比特，并進一步將碼距擴展到9和11，為實現(xiàn)大規(guī)模量子比特的集成和操縱鋪平道路。

可以說，在量子計算這一前沿科技領(lǐng)域，中美兩國科研團隊之間是“你追我趕”的態(tài)勢，雙方的差距已經(jīng)縮小至一到兩年之內(nèi)。中國科研團隊在這個過程中，取得了一系列具有深遠意義的研究成果，也為全球科學界貢獻了寶貴的智慧。盡管在具體的技術(shù)路線選擇上還存在一些分歧，但長遠來看，實現(xiàn)可擴展、通用且可容錯的量子計算并不存在原則性的障礙。隨著近年來學術(shù)界連續(xù)攻克關(guān)鍵里程碑，一系列重要的科研成果相繼問世，量子計算的重要意義愈發(fā)凸顯，已經(jīng)成為各國政府競相關(guān)注的核心議題之一，而中美兩國在這個前沿領(lǐng)域的競爭也日益白熱化。

競爭正在加劇

美國在量子計算領(lǐng)域的最新進展展現(xiàn)了其技術(shù)優(yōu)勢，這對我們來說既是一種激勵，但同樣也是一種壓力。

今年9月5號，就在谷歌團隊發(fā)論文宣布實現(xiàn)低于表面碼閾值的量子糾錯這一突破性進展的一個星期后，美國商務部就強化了對中國量子計算領(lǐng)域的出口管制，將量子計算機及所需要的設(shè)備、組件、材料、軟件和技術(shù)全部納入到了管控范圍內(nèi)，嚴格限制中國獲得相關(guān)的技術(shù)。

美國高度重視量子計算的戰(zhàn)略性意義。2018年12月，美國通過《國家量子倡議法案》（National Quantum Initiative Act，簡稱NQI法案），授權(quán)撥款超過12億美元資金，分配給美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）、美國國家科學基金會（NSF）和美國能源部（DOE）等機構(gòu)，用于加速量子信息科學的研究與開發(fā)，并確保美國在量子科技領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位。

《國家量子倡議法案》使美國政府成為了量子信息領(lǐng)域迄今為止為主最大、最慷慨的研究資助方，自法案實施五年多以來，美國政府在這一領(lǐng)域?qū)嶋H投資的規(guī)模，已經(jīng)遠遠超過了原計劃的金額。從2019到2023財年，美國政府在量子信息領(lǐng)域累計投資的金額已經(jīng)達到了37.38億美元，是原計劃的三倍多，并且每年投資額還在以超過20%的速度穩(wěn)步增長。此外，美國政府在2022年8月通過的《芯片與科學》法案中，也涵蓋了量子科學網(wǎng)絡(luò)、科學和技術(shù)量子用戶擴展計劃、量子網(wǎng)絡(luò)和通信研究與標準化、下一代量子領(lǐng)導者領(lǐng)航計劃四個量子信息相關(guān)項目，總投資金額也達到了1.53億美元每年。

《國家量子倡議法案》于去年年底到期后，美國國會緊接著又通過了《國家量子倡議再授權(quán)法案》（National Quantum Initiative Reauthorization Act），將未來五年對量子信息領(lǐng)域的投資額提高到了18億美元。就在這個月的月初，美國國會又提出了新版的《國家量子倡議再授權(quán)法案》，準備在原法案的基礎(chǔ)上，將對量子信息領(lǐng)域的研發(fā)撥款從18億美元提高至27億美元，同時大幅延長了法案的授權(quán)期限。

美國政府在大舉增加對國內(nèi)量子信息技術(shù)投資的同時，也在不斷升級對中國量子領(lǐng)域的技術(shù)封鎖。

以目前量子計算最主流的超導量子計算機為例，為了讓超導量子計算機可以穩(wěn)定運行，需要將溫度穩(wěn)定在20mK（?273.13°C）以下，非常接近于-273.15的絕對零度，需要使用稀釋制冷機來達到這個溫度。稀釋制冷機是超導量子計算機的核心裝備，一臺超導量子計算機所需的稀釋制冷機，其價格一般在幾百萬至一千萬人民幣之間。全球稀釋制冷機市場超過九成的份額都被兩家外國公司瓜分，分別是位于芬蘭的布魯福斯（Bluefors）和位于英國的牛津儀器（Oxford Instruments）。

稀釋制冷機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

稀釋制冷機的制冷功率大小，直接影響到了量子計算機能夠支持的最大量子比特數(shù)量，成了制約量子計算進一步發(fā)展的瓶頸。2021年11月，美國政府將合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、科大國盾量子、上海國盾量子三家量子計算相關(guān)企業(yè)列入實體清單，限制關(guān)鍵設(shè)施對中國的出口。

美國在對中國科技企業(yè)進行出口管制的同時，也要求其盟友跟進，對中國禁運包括稀釋制冷機在內(nèi)的量子計算機核心部件以及量子計算機整機，利用《瓦森納協(xié)定》（Wassenaar Arrangement）等多邊機制，通過切斷關(guān)鍵技術(shù)和組件供應鏈的方式，來削弱中國的技術(shù)創(chuàng)新能力。2023年6月，西班牙修改法令對量子技術(shù)技術(shù)實施出口管制；2024年2月，法國政府頒布命令，規(guī)定量子計算機及其組件向非歐盟國家出口需要獲得法國軍民兩用機構(gòu)SBDU的許可；3月，英國商業(yè)和貿(mào)易部修訂出口管制條例，規(guī)定量子計算機及其相關(guān)組件的出口將需要申請許可證；4月，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省宣布量子相關(guān)產(chǎn)品的出口將受到限制；6月加拿大修訂出口管制清單，將一系列量子技術(shù)相關(guān)商品和技術(shù)納入到需要嚴格監(jiān)管的范疇之內(nèi)。

隨著一系列禁運措施的實施，稀釋制冷機在中國面臨著供不應求的局面。根據(jù)光子盒研究院的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年和2022年，中國分別進口了60臺和53臺稀釋制冷機，但到了2023年，進口加國產(chǎn)僅成交了15臺，到2024年已經(jīng)徹底無法再進口。

美國對量子計算領(lǐng)域的管控措施不僅限于關(guān)鍵設(shè)備的封鎖禁運，還進一步延伸到了科研與市場環(huán)境的極限擠壓。

2023年8月，美國總統(tǒng)拜登簽署行政命令，美國財政部發(fā)布了一系列新規(guī)，禁止或限制美國個人或企業(yè)對中國的半導體、量子信息以及人工智能領(lǐng)域進行投資。而在這之中，量子信息又是唯一一個被全面禁止、且不存在任何“例外”的投資禁區(qū)。具體而言，新規(guī)覆蓋了所有與中國量子計算機及相關(guān)組件、量子傳感器、量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信系統(tǒng)有關(guān)的領(lǐng)域，旨在全面遏制中國在量子技術(shù)方面的進展。這些措施不僅強化了既有的出口管控政策，還將監(jiān)管的范圍擴大到了金融投資領(lǐng)域，迫使美國投資者重新評估其在中國的投資策略，為中國量子計算的發(fā)展增添了額外的挑戰(zhàn)。

美國政府對中國半導體、量子信息以及人工智能實施投資禁令，量子信息是其中唯一一個沒有任何“例外”的領(lǐng)域

2023年11月，阿里巴巴確認放棄量子計算的研發(fā)，宣布解散達摩院量子實驗室，連同實驗室以及量子實驗儀器捐贈予浙江大學。兩個月后，百度也宣布將放棄量子計算實驗室，將旗下實驗室與設(shè)備捐贈給了北京量子信息科學研究院。

和美國谷歌、IBM等市場化科技巨頭主導了量子計算發(fā)展的格局不同，在中國，量子計算相關(guān)研究的主要推動力量還是更多地來自于諸如中科大、南方科大、中科院、北京量子信息科學研究院等科研院校。隨著中美之間圍繞量子計算的科技競賽不斷升溫，以及由此帶來的限制性政策的增加，預計在未來相當長的一段時間里，廣大的科研院校還將繼續(xù)在中國的量子計算研究發(fā)揮“中流砥柱”的作用。在日益復雜多變的國際環(huán)境下，如何做好產(chǎn)學研協(xié)同，已經(jīng)成了一個關(guān)鍵的問題。這或許需要國家提供更多的科研資金、以及政策上的支持，并協(xié)調(diào)更多有耐心的市場力量參與進來，以共同應對全球競爭帶來的復雜挑戰(zhàn)。

同志仍需努力

即便在美國的重重封鎖之下，中國的科研學者們還是在一些關(guān)鍵領(lǐng)域取得了重要的突破。

以前面提到的稀釋制冷機為例，2021年，中科院物理研究所攻克了無液氦稀釋制冷機熱交換器制作等多項核心技術(shù)，自主研發(fā)了無液氦的稀釋制冷機原型機，實現(xiàn)了10.9mK，即相當于-273.1391攝氏度的長時間穩(wěn)定連續(xù)運行，達到了國際主流產(chǎn)品的水平。此后又經(jīng)過了一年多時間的工藝優(yōu)化和固化，中科院物理所進一步提升了技術(shù)性能，研制出的新一代工程樣機不僅能夠長時間連續(xù)穩(wěn)定運行，最低溫度也降至7.6mK（-273.1424度），同時制冷功率達到了450μW@100mK，即在100mK（-273.05度）的溫度下，制冷機能提供450微瓦（μW）的制冷功率，與國外主流的中型商業(yè)稀釋制冷機相當。

物理所10mK原型機

2023年，國盾量子在自主研發(fā)和中科大專利許可支持下，研發(fā)出國產(chǎn)稀釋制冷機“ez-Q Fridge”，并向多家科研單位交付了搭載該制冷機的量子計算機，該型號制冷機專門針對超導量子計算的需求進行設(shè)計，能為量子芯片提供低至10mK（-273.14度）級別的極低溫低噪聲環(huán)境，制冷功率達到450uW@100mK，并經(jīng)過多月的測試，證明了其長時間連續(xù)穩(wěn)定運行的能力，成為國內(nèi)首款可商用可量產(chǎn)的超導量子計算機用稀釋制冷機。而在今年的6月份，本源量子在合肥下線了國產(chǎn)稀釋制冷機SL1000，制冷功率可以達到1000uW@100mK，已經(jīng)十分接近國際上的先進水平。

國外主流商用稀釋制冷機產(chǎn)品與國內(nèi)研究進展

而在另一個長期被“卡脖子”的關(guān)鍵領(lǐng)域——低溫同軸線纜上，中國的科研人員也在前段時間取得了進展。這一部件曾長期被日本壟斷，中國不得不依賴高價進口來滿足需求。而就在不久前的2024年5月，本源量子宣布成功攻克了極低溫特種高頻同軸線纜的技術(shù)難題，實現(xiàn)了這一重要部件的國產(chǎn)化。

今年6月，國盾量子宣布成功研發(fā)國產(chǎn)抗干擾氧化釕溫度計ezQ-RX56，起測溫度接近6mK，結(jié)束了我國低于10mK溫區(qū)的氧化釕溫度計依賴從外國進口的歷史。

盡管取得了這些突破，我們?nèi)匀灰吹街袊c國際先進水平之間還是存在一些差距。革命尚未成功，同志仍需努力。

在最新的論文中，谷歌的研究人員將量子比特錯誤率的大幅抑制歸功于一項名為“能隙剪裁 ”（Gap-engineering）的技術(shù)的應用。這一技術(shù)可以追溯至今年二月份谷歌與耶魯大學團隊合作發(fā)布的論文《通過超導量子比特陣列的能隙剪裁抑制高能沖擊事件》（Resisting high-energy impact events through gap engineering in superconducting qubit arrays ），通過在約瑟夫森結(jié)的三明治結(jié)構(gòu)上制造不同的超導能隙，有效地抑制了準粒子隧穿效應導致的量子比特衰減，延長了量子比特的壽命，提高了穩(wěn)定性和可靠性。谷歌團隊也是在此基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)了更高效的量子糾錯算法。

此外，谷歌團隊也在論文中花了較大的篇幅，解釋了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在量子糾錯中發(fā)揮的作用。谷歌的量子計算團隊與DeepMind合作，開發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解碼器AlphaQubit，通過對實驗數(shù)據(jù)進行深度學習，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠更準確地預測錯誤并糾正它們，從而提高了系統(tǒng)整體的糾錯能力。人工智能技術(shù)的應用，為解決大規(guī)模量子糾錯問題提供了創(chuàng)新性的思路和解決方案，并極大地推動了谷歌團隊在這一領(lǐng)域的研究進展。

表格展示了不同解碼方案在不同碼距下的邏輯錯誤表現(xiàn)

這些研究展示了物理理論、工程實踐與跨學科協(xié)作相結(jié)合所能帶來的巨大潛力，同時也映射出我們在追趕國際先進水平時所面臨的挑戰(zhàn)。它提醒我們，要達到這樣的高度，我們還需要持續(xù)的努力和投入。

我們正處在這樣的一個時間點上：全球量子計算的研發(fā)進程正在加速，國際社會正在為迎接一個極大算力的量子時代做準備。今年5月，美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）宣布將逐步淘汰現(xiàn)有加密算法，評估新算法以向能夠抵抗量子計算機攻擊的新一代密碼體系過渡，美國國家安全局（NSA）正在與標準與技術(shù)研究所合作，推動全國關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和組織提前向后量子密碼（Post-Quantum Cryptography，PQC）時代遷移。歐盟委員會也在今年4月發(fā)布了《向后量子密碼遷移的協(xié)同實施路線圖建議》（Recommendation on a Coordinated Implementation Roadmap for the transition to Post-Quantum Cryptography），鼓勵成員國制定統(tǒng)一戰(zhàn)略，以向后量子密碼時代遷移。日本總務省、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省、數(shù)字廳也成立了跨部門的“密碼技術(shù)研討會”，組建專門的工作組評估面向量子時代的安全加密技術(shù)，并在美國NIST的后量子密碼（PQC）算法標準征集環(huán)節(jié)中提交了多個候選算法。

過去幾年，量子計算機的發(fā)展速度已經(jīng)遠遠超出了許多人的預期，量子計算不僅將重塑全球信息技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，也將對世界經(jīng)濟、國家安全戰(zhàn)略乃至人類社會的未來產(chǎn)生深遠的影響。每一次技術(shù)革命，都是對現(xiàn)有秩序的重新洗牌，隨著全球前沿科技的競爭日益激烈，中國科研工作者們所作出的努力，也將決定國家在未來全球科技格局中所處的位置。

谷歌、IBM等歐美科技巨頭在量子計算領(lǐng)域不斷取得的突破性成就，無疑為全球競爭設(shè)立了更高的標桿，與此同時，世界各國圍繞關(guān)鍵技術(shù)的限制也在日益加劇，使中國量子技術(shù)的科研生態(tài)和市場環(huán)境面臨著更為復雜的競爭和制衡。

面對加速逼近的國際競爭、日趨嚴苛的外部封鎖以及關(guān)鍵設(shè)備、技術(shù)與人才的多重挑戰(zhàn)，我們需要保持清醒和緊迫感，意識到這不僅是技術(shù)層面的較量，更是國家戰(zhàn)略能力的全方位檢驗。但回顧中國在信息技術(shù)領(lǐng)域的成長歷程，我們有理由對未來保持堅定的信心。以往每當國際科技巨頭在量子計算領(lǐng)域取得里程碑式的進展，其背后的技術(shù)細節(jié)總是被嚴格保密，外界難以窺見其全貌。面對這種信息高度不對稱的挑戰(zhàn)，中國研究者們總是能在短時間內(nèi)迅速趕上，并在一些關(guān)鍵的技術(shù)節(jié)點上實現(xiàn)趕超。這一過程背后，是無數(shù)科研人員默默付出，他們克服了重重困難，付出了難以想象的巨大努力。

當技術(shù)壁壘的高墻難以撼動，我們能做的就是扎下根來。中國科技發(fā)展的內(nèi)生動力正在不斷積累，這樣的歷練，必將使中國科研力量在巨大壓力下實現(xiàn)有韌性的頑強生長。

致謝：本文在撰寫過程中得到了國盾量子云平臺負責人儲文皓的寶貴意見和專業(yè)指導

參考資料:

Parker, E., Gonzales, D., Kochhar, A. K., Litterer, S., O'Connor, K., Schmid, J., ... & Harold, S. W. (2022). An assessment of the US and Chinese industrial bases in quantum technology. Rand Corporation.

Wu, Y., Bao, W. S., Cao, S., Chen, F., Chen, M. C., Chen, X., ... & Pan, J. W. (2021). Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor. Physical review letters, 127(18), 180501.

Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit[J]. Nature, 2023, 614(7949): 676-681.

Acharya, R., Aghababaie-Beni, L., Aleiner, I., Andersen, T. I., Ansmann, M., Arute, F., ... & Malone, F. D. (2024). Quantum error correction below the surface code threshold. arXiv preprint arXiv:2408.13687.

Morvan, A., Villalonga, B., Mi, X., Mandra, S., Bengtsson, A., Klimov, P. V., ... & Sivak, V. (2023). Phase transition in random circuit sampling. arXiv preprint arXiv:2304.11119.

McEwen, M., Miao, K. C., Atalaya, J., Bilmes, A., Crook, A., Bovaird, J., ... & Opremcak, A. (2024). Resisting high-energy impact events through gap engineering in superconducting qubit arrays. Physical Review Letters, 133(24), 240601.

Bausch, J., Senior, A. W., Heras, F. J., Edlich, T., Davies, A., Newman, M., ... & Kohli, P. (2024). Learning high-accuracy error decoding for quantum processors. Nature, 1-7.

Gao, D., Fan, D., Zha, C., Bei, J., Cai, G., Cai, J., ... & Zhang, Q. (2024). Establishing a New Benchmark in Quantum Computational Advantage with 105-qubit Zuchongzhi 3.0 Processor. arXiv preprint arXiv:2412.11924.

Ni, Z., Li, S., Deng, X., Cai, Y., Zhang, L., Wang, W., ... & Yu, D. (2023). Beating the break-even point with a discrete-variable-encoded logical qubit. Nature, 616(7955), 56-60.

Zhong, H. S., Wang, H., Deng, Y. H., Chen, M. C., Peng, L. C., Luo, Y. H., ... & Pan, J. W. (2020). Quantum computational advantage using photons. Science, 370(6523), 1460-1463.

Zhao, Y., Ye, Y., Huang, H. L., Zhang, Y., Wu, D., Guan, H., ... & Pan, J. W. (2022). Realization of an error-correcting surface code with superconducting qubits. Physical Review Letters, 129(3), 030501.

ICV TA&K, & 光子盒. (2022). 2022全球量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告.

ICV TA&K, & 光子盒. (2024). 2024全球量子計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望.

中國信息通信研究院. (2023). 量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告(2023年).

中國信息通信研究院, 中移（蘇州）軟件技術(shù)有限公司, & 北京玻色量子科技有限公司. (2024). 量子計算發(fā)展態(tài)勢研究報告(2024年).

國投證券股份有限公司. (2024). 量子科技：見微知著、革故鼎新.

李穎, & 孫昌璞. (2019). 通用量子計算機和容錯量子計算——概念、 現(xiàn)狀和展望. 物理, 48(8), 477-487.

鄭茂文, 郭浩文, 衛(wèi)鈴佼, 潘子杰, 鄒佳潤, 李瑞鑫, ... & 梁驚濤. (2024). 稀釋制冷技術(shù). 物理學報, 73(23), 230701-1.

倪忠初, 徐源, & 俞大鵬. (2023). 用離散變量編碼的邏輯量子比特打破盈虧平衡點. 物理, 52(5), 344-347.

本文系觀察者網(wǎng)獨家稿件，文章內(nèi)容純屬作者個人觀點，不代表平臺觀點，未經(jīng)授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載，否則將追究法律責任。關(guān)注觀察者網(wǎng)微信guanchacn，每日閱讀趣味文章。