2025年是聯(lián)合國宣布的量子科學(xué)與技術(shù)國際年。作為全球科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，量子計(jì)算的基本計(jì)算單元為量子比特，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特具有相同的功能，即存儲(chǔ)與處理數(shù)據(jù)。因其強(qiáng)大的計(jì)算能力，量子計(jì)算在攻克復(fù)雜計(jì)算難題上展現(xiàn)出經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以企及的優(yōu)勢(shì)。目前，量子計(jì)算已被視為人類科技發(fā)展的下一個(gè)重要突破口，是全球科技領(lǐng)域具有巨大前景的研究和應(yīng)用方向。
以2003年中國第一個(gè)量子計(jì)算研究小組成立為標(biāo)志，中國量子計(jì)算已走過20多年歷程，實(shí)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(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”上線運(yùn)行，標(biāo)志著中國進(jìn)入算力可用時(shí)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(gè)國家逾1800萬用戶完成超32萬個(gè)量子計(jì)算任務(wù)。以“本源悟空”為代表的中國量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)正在按下發(fā)展“加速鍵”，并在應(yīng)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(jì)算公司——本源量子計(jì)算科技（合肥）股份有限公司（簡(jiǎn)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(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“本源悟空”的計(jì)算機(jī)時(shí)。
在信息時(shí)代，算力體現(xiàn)國力。中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、“本源悟空”科研團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)人郭國平告訴本報(bào)記者：“算盤和現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的算力差距，就是現(xiàn)有計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)的算力差距。”
“本源悟空”由本源量子團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，是中國第三代自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，搭載72位自主超導(dǎo)量子芯片“悟空芯”。“悟空芯”采用了72個(gè)計(jì)算量子比特的設(shè)計(jì)方案，還包含126個(gè)耦合器量子比特，共有198個(gè)量子比特，其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的量子比特弛豫時(shí)間T1（在量子計(jì)算中，量子比特從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)所需的時(shí)間）大于等于15.3微秒，退相干時(shí)間T2（量子比特在保持其相干性之前的時(shí)間長(zhǎng)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(jì)算機(jī)可一次性下發(fā)、執(zhí)行多達(dá)200個(gè)量子線路的計(jì)算任務(wù)，與只能同時(shí)下發(fā)、執(zhí)行單個(gè)量子線路的國際同類量子計(jì)算機(jī)相比具有更大的速度優(yōu)勢(shì)。
“本源悟空”還搭載了中國首個(gè)量子計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了對(duì)量子計(jì)算任務(wù)批處理的支持，不僅支持量超協(xié)同計(jì)算，還可高效調(diào)度量子計(jì)算資源，大幅提升量子計(jì)算機(jī)整機(jī)運(yùn)行效率。
2024年4月10日，“本源悟空”成功裝備中國首個(gè)PQC（后量子密碼）“抗量子攻擊護(hù)盾”，這使“本源悟空”能更好抵御其他量子計(jì)算機(jī)的攻擊，確保運(yùn)行數(shù)據(jù)安全。從算力提升到“攻守兼?zhèn)洹保袊孔佑?jì)算機(jī)制造鏈更加完備。
安徽省量子計(jì)算工程研究中心副主任、“本源悟空”云服務(wù)研制團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人趙雪嬌告訴本報(bào)記者：“目前，本源量子與美國相關(guān)科技公司是同價(jià)向國際市場(chǎng)出售超導(dǎo)量子算力。外國企業(yè)購買中國自主量子算力，是國際市場(chǎng)對(duì)中國量子計(jì)算技術(shù)實(shí)力的認(rèn)可。”
技術(shù)賦能更多領(lǐng)域
目前，中國的量子算力已應(yīng)用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)、金融、生物醫(yī)藥等多個(gè)重要領(lǐng)域。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工程、船舶設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，與飛行器、汽車及船舶的外形設(shè)計(jì)都緊密相關(guān)。算力提升可以加快飛機(jī)、汽車的更新迭代并降低設(shè)計(jì)成本。然而，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)越來越難以滿足這些領(lǐng)域?qū)τ?jì)算規(guī)模、計(jì)算精度和計(jì)算速度的要求。
量子計(jì)算為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)提供了新的算力選擇。相較于傳統(tǒng)方法，量子計(jì)算能夠顯著加速流體動(dòng)力學(xué)仿真過程，從而大幅縮短研發(fā)周期并節(jié)省經(jīng)費(fèi)。
2024年10月25日，中國科學(xué)家在“本源悟空”上，成功完成了全球最大規(guī)模的量子計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真，標(biāo)志著國產(chǎn)量子算力在解決實(shí)際問題方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊《應(yīng)用力學(xué)與工程中的計(jì)算機(jī)方法》上。郭國平表示：“此次研究不僅證明中國自主超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)具備開展大規(guī)模、高精度流體動(dòng)力學(xué)研究的能力，也為我們探索更多復(fù)雜科學(xué)問題提供了新工具和新方法。”
在金融領(lǐng)域，量子計(jì)算可以用于風(fēng)險(xiǎn)管理、投資組合優(yōu)化、期權(quán)定價(jià)和金融市場(chǎng)預(yù)測(cè)等方面。通過量子算法，金融機(jī)構(gòu)可以更快速準(zhǔn)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(gè)采用分布式量子計(jì)算思路設(shè)計(jì)、規(guī)模最大的投資組合優(yōu)化真機(jī)應(yīng)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(yuǎn)低于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，為處理大規(guī)模投資組合優(yōu)化問題、得出特定風(fēng)險(xiǎn)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(jì)算能夠助力藥物設(shè)計(jì)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、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(duì)接預(yù)測(cè)應(yīng)用、藥物毒性預(yù)測(cè)應(yīng)用、藥物相互作用預(yù)測(cè)應(yīng)用等多款基于真實(shí)量子計(jì)算芯片的應(yīng)用。其中，藥物相互作用預(yù)測(cè)應(yīng)用以“本源悟空”為計(jì)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(diǎn)編碼能力和經(jīng)典圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，不僅提高了藥物相互作用預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，還大幅度縮短了研發(fā)時(shí)間，為藥物開發(fā)領(lǐng)域帶來了巨大進(jìn)步。
2023年，本源量子與蚌埠醫(yī)科大學(xué)達(dá)成合作，共探量子計(jì)算在輔助醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別、疾病診斷、藥物篩選、診斷標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)等生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。以診治乳腺癌為例，通過將量子計(jì)算與深度學(xué)習(xí)方法結(jié)合，本源量子設(shè)計(jì)了混合經(jīng)典量子圖像算法，針對(duì)乳腺鉬靶圖像的分類、分割進(jìn)行高精度快速分析，幫助臨床醫(yī)生更加準(zhǔn)確高效地對(duì)患者病情做出判斷，讓醫(yī)生在診治乳腺癌時(shí)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(jì)算產(chǎn)業(yè)，對(duì)量子計(jì)算專業(yè)人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來已有眾多國家將量子科技人才培養(yǎng)納入國家計(jì)劃。
中國應(yīng)該如何培養(yǎng)未來的自主量子計(jì)算人才？是跟隨西方量子計(jì)算教育方案，還是使用“中國筷子”——中國自主的量子計(jì)算教育方案培養(yǎng)人才？“這是關(guān)乎未來的一個(gè)重要選擇。”趙雪嬌說。
用量子計(jì)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(jì)算教育方案，構(gòu)建全面的量子計(jì)算教育體系，為量子科技這一未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的人才基礎(chǔ)。自2020年教育部首次增設(shè)量子信息科學(xué)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(jì)算教育系統(tǒng)，量子計(jì)算教育的“中國筷子”正在逐步壯大。
“我們已與長(zhǎng)江大學(xué)、湖北師范大學(xué)等多所高校開展合作，通過建設(shè)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室、量子通信實(shí)驗(yàn)室、量子科技科普基地等，為高校打造量子人才教學(xué)科研載體，構(gòu)建自主化量子計(jì)算機(jī)真機(jī)環(huán)境，培養(yǎng)出具備量子計(jì)算機(jī)實(shí)踐能力和創(chuàng)新研究能力的人才。”趙雪嬌告訴本報(bào)記者。
目前，重慶郵電大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安交通大學(xué)已經(jīng)引入本源量子全物理體系量子計(jì)算學(xué)習(xí)系統(tǒng)；中南大學(xué)、江漢大學(xué)、桂林電子科技大學(xué)等高校已成功搭建量子計(jì)算教研一體化平臺(tái)；北方工業(yè)大學(xué)、北京師范大學(xué)與天津師范大學(xué)等已在校內(nèi)部署量子計(jì)算學(xué)習(xí)機(jī)。
本源量子還與高校協(xié)同開發(fā)定制化量子計(jì)算教學(xué)資源。比如，蚌埠醫(yī)科大學(xué)與本源量子共建了國內(nèi)首個(gè)量子計(jì)算數(shù)據(jù)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)班，攜手培養(yǎng)能夠運(yùn)用量子計(jì)算處理醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的復(fù)合型醫(yī)學(xué)人才。
郭國平認(rèn)為，中國的量子計(jì)算事業(yè)需要一代又一代人的接續(xù)努力。基層量子計(jì)算科技工作者不僅要造出可用的量子計(jì)算機(jī)，也要為國家培養(yǎng)有用的量子計(jì)算人才。“我們將開放核心實(shí)驗(yàn)室，讓中國高校學(xué)生用中國造量子計(jì)算機(jī)實(shí)踐學(xué)習(xí)量子計(jì)算知識(shí)，培養(yǎng)更多更好中國量子計(jì)算人才。”郭國平說。
