2025年是聯(lián)合國宣布的量子科學與技術(shù)國際年。作為全球科技領(lǐng)域的研究熱點，量子計算的基本計算單元為量子比特，與經(jīng)典計算機中的比特具有相同的功能，即存儲與處理數(shù)據(jù)。因其強大的計算能力，量子計算在攻克復雜計算難題上展現(xiàn)出經(jīng)典計算機難以企及的優(yōu)勢。目前，量子計算已被視為人類科技發(fā)展的下一個重要突破口，是全球科技領(lǐng)域具有巨大前景的研究和應用方向。
以2003年中國第一個量子計算研究小組成立為標志，中國量子計算已走過20多年歷程，實現(xiàn)了從0到1的巨大跨越、蓬勃發(fā)展。2024年1月6日，中國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”上線運行，標志著中國進入算力可用時代。從2024年1月6日至今，“本源悟空”上線已超一周年。期間，“本源悟空”已為來自全球139個國家逾1800萬用戶完成超32萬個量子計算任務(wù)。以“本源悟空”為代表的中國量子計算產(chǎn)業(yè)正在按下發(fā)展“加速鍵”，并在應用探索領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊前景。
自主算力首次出海
2024年11月，中國首家量子計算公司——本源量子計算科技(合肥)股份有限公司(簡稱本源量子)向海外首次銷售中國自主量子算力——中國第三代自主超導量子計算機“本源悟空”的計算機時。
在信息時代，算力體現(xiàn)國力。中國科學院量子信息重點實驗室副主任、“本源悟空”科研團隊主要負責人郭國平告訴本報記者：“算盤和現(xiàn)有計算機的算力差距，就是現(xiàn)有計算機和量子計算機的算力差距。”
“本源悟空”由本源量子團隊自主研發(fā)，是中國第三代自主超導量子計算機，搭載72位自主超導量子芯片“悟空芯”。“悟空芯”采用了72個計算量子比特的設(shè)計方案，還包含126個耦合器量子比特，共有198個量子比特，其實際運行狀態(tài)下的量子比特弛豫時間T1(在量子計算中，量子比特從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)所需的時間)大于等于15.3微秒，退相干時間T2(量子比特在保持其相干性之前的時間長度)大于等于2.25微秒。基于該款量子芯片的“本源悟空”量子計算機可一次性下發(fā)、執(zhí)行多達200個量子線路的計算任務(wù)，與只能同時下發(fā)、執(zhí)行單個量子線路的國際同類量子計算機相比具有更大的速度優(yōu)勢。
“本源悟空”還搭載了中國首個量子計算機操作系統(tǒng)——本源司南3.0版本。這一系統(tǒng)在國內(nèi)首次實現(xiàn)了對量子計算任務(wù)批處理的支持，不僅支持量超協(xié)同計算，還可高效調(diào)度量子計算資源，大幅提升量子計算機整機運行效率。
2024年4月10日，“本源悟空”成功裝備中國首個PQC(后量子密碼)“抗量子攻擊護盾”，這使“本源悟空”能更好抵御其他量子計算機的攻擊，確保運行數(shù)據(jù)安全。從算力提升到“攻守兼?zhèn)洹保袊孔佑嬎銠C制造鏈更加完備。
安徽省量子計算工程研究中心副主任、“本源悟空”云服務(wù)研制團隊負責人趙雪嬌告訴本報記者：“目前，本源量子與美國相關(guān)科技公司是同價向國際市場出售超導量子算力。外國企業(yè)購買中國自主量子算力，是國際市場對中國量子計算技術(shù)實力的認可。”
技術(shù)賦能更多領(lǐng)域
目前，中國的量子算力已應用于計算流體動力學、金融、生物醫(yī)藥等多個重要領(lǐng)域。
計算流體動力學廣泛應用于航空航天、汽車工程、船舶設(shè)計等領(lǐng)域，與飛行器、汽車及船舶的外形設(shè)計都緊密相關(guān)。算力提升可以加快飛機、汽車的更新迭代并降低設(shè)計成本。然而，傳統(tǒng)計算機越來越難以滿足這些領(lǐng)域?qū)τ嬎阋?guī)模、計算精度和計算速度的要求。
量子計算為計算流體動力學提供了新的算力選擇。相較于傳統(tǒng)方法，量子計算能夠顯著加速流體動力學仿真過程，從而大幅縮短研發(fā)周期并節(jié)省經(jīng)費。
2024年10月25日，中國科學家在“本源悟空”上，成功完成了全球最大規(guī)模的量子計算流體動力學仿真，標志著國產(chǎn)量子算力在解決實際問題方面取得重要進展。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊《應用力學與工程中的計算機方法》上。郭國平表示：“此次研究不僅證明中國自主超導量子計算機具備開展大規(guī)模、高精度流體動力學研究的能力，也為我們探索更多復雜科學問題提供了新工具和新方法。”
在金融領(lǐng)域，量子計算可以用于風險管理、投資組合優(yōu)化、期權(quán)定價和金融市場預測等方面。通過量子算法，金融機構(gòu)可以更快速準確地分析大量數(shù)據(jù)，為投資者提供更精確的投資建議。“本源悟空”此前上線的全球首個采用分布式量子計算思路設(shè)計、規(guī)模最大的投資組合優(yōu)化真機應用，依托“悟空芯”量子芯片，在處理相同規(guī)模問題上，資源消耗遠低于經(jīng)典計算機，為處理大規(guī)模投資組合優(yōu)化問題、得出特定風險偏好類型下的最佳收益組合開辟了更高效的路徑。
在生物醫(yī)藥行業(yè)，量子計算能夠助力藥物設(shè)計、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測、醫(yī)療數(shù)據(jù)的分析與處理等關(guān)鍵領(lǐng)域。“本源悟空”目前已上線分子對接預測應用、藥物毒性預測應用、藥物相互作用預測應用等多款基于真實量子計算芯片的應用。其中，藥物相互作用預測應用以“本源悟空”為計算后端，采用了量子混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，結(jié)合了量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點編碼能力和經(jīng)典圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，不僅提高了藥物相互作用預測的準確性，還大幅度縮短了研發(fā)時間，為藥物開發(fā)領(lǐng)域帶來了巨大進步。
2023年，本源量子與蚌埠醫(yī)科大學達成合作，共探量子計算在輔助醫(yī)學圖像識別、疾病診斷、藥物篩選、診斷標志物發(fā)現(xiàn)等生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應用。以診治乳腺癌為例，通過將量子計算與深度學習方法結(jié)合，本源量子設(shè)計了混合經(jīng)典量子圖像算法，針對乳腺鉬靶圖像的分類、分割進行高精度快速分析，幫助臨床醫(yī)生更加準確高效地對患者病情做出判斷，讓醫(yī)生在診治乳腺癌時也用上了中國自主可控量子算力。
用好育才“中國筷子”
發(fā)展量子計算產(chǎn)業(yè)，對量子計算專業(yè)人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計，近年來已有眾多國家將量子科技人才培養(yǎng)納入國家計劃。
中國應該如何培養(yǎng)未來的自主量子計算人才？是跟隨西方量子計算教育方案，還是使用“中國筷子”——中國自主的量子計算教育方案培養(yǎng)人才？“這是關(guān)乎未來的一個重要選擇。”趙雪嬌說。
用量子計算教育的“中國筷子”培養(yǎng)人才，是中國選擇的道路。近年來，中國正在通過前瞻性部署自主量子計算教育方案，構(gòu)建全面的量子計算教育體系，為量子科技這一未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定堅實的人才基礎(chǔ)。自2020年教育部首次增設(shè)量子信息科學專業(yè)以來，全國已有13所高校獲批開設(shè)。值得一提的是，目前中國已有60余所高校采用本源量子自主量子計算教育系統(tǒng)，量子計算教育的“中國筷子”正在逐步壯大。
“我們已與長江大學、湖北師范大學等多所高校開展合作，通過建設(shè)量子計算實驗室、量子通信實驗室、量子科技科普基地等，為高校打造量子人才教學科研載體，構(gòu)建自主化量子計算機真機環(huán)境，培養(yǎng)出具備量子計算機實踐能力和創(chuàng)新研究能力的人才。”趙雪嬌告訴本報記者。
目前，重慶郵電大學、北京理工大學、西安交通大學已經(jīng)引入本源量子全物理體系量子計算學習系統(tǒng)；中南大學、江漢大學、桂林電子科技大學等高校已成功搭建量子計算教研一體化平臺；北方工業(yè)大學、北京師范大學與天津師范大學等已在校內(nèi)部署量子計算學習機。
本源量子還與高校協(xié)同開發(fā)定制化量子計算教學資源。比如，蚌埠醫(yī)科大學與本源量子共建了國內(nèi)首個量子計算數(shù)據(jù)醫(yī)學實驗班，攜手培養(yǎng)能夠運用量子計算處理醫(yī)學大數(shù)據(jù)的復合型醫(yī)學人才。
郭國平認為，中國的量子計算事業(yè)需要一代又一代人的接續(xù)努力。基層量子計算科技工作者不僅要造出可用的量子計算機，也要為國家培養(yǎng)有用的量子計算人才。“我們將開放核心實驗室，讓中國高校學生用中國造量子計算機實踐學習量子計算知識，培養(yǎng)更多更好中國量子計算人才。”郭國平說。
本報記者 楊俊峰
(人民日報海外版)