在科技飞速发展的今天，量子计算机逐渐进入大众的视野，它被视为未来科技的关键力量，拥有着超越传统计算机的强大能力。那么，量子计算机究竟是什么？它为何如此强大？我国在这一领域又取得了哪些令人瞩目的成果呢？今天，就让我们一起走进量子计算机的神奇世界。
1. 量子先锋：“本源悟空”
当传统计算机还在摩尔定律的尽头徘徊时，一台名为“本源悟空”的超导量子计算机正在中国安徽合肥的实验室中悄然运转。
“本源悟空”搭载了72位自主超导量子芯片，已面向全球139个国家用户提供量子计算云服务，完成了36万个量子计算任务。
这台中国自主研制的第三代超导量子计算机，以《西游记》中“七十二变”的孙悟空为名，既隐喻量子叠加（详见《知识就是力量》2023年3月刊）的无限可能，也象征着中国科技自主研发的决心——它的成功上线，标志着我国在量子计算领域的自主研发能力已达到国际领先水平，中国自主超导量子计算机制造链成链。
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什么是摩尔定律
当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔18～24个月便会增加一倍，性能也会大幅提升。这意味着在一定的成本下，计算机等电子设备的运算能力会不断快速增强，而这种进步推动了整个信息技术产业的高速发展，让电子产品变得越来越强大、越来越高效，同时价格还能保持相对稳定或逐渐降低。
2. 量子计算机为什么这么快？
比特是“二进制位”的简称，它只有两种状态，就像一个开关，要么是开的，要么是关的。在计算机中，这两种状态通常用数字“0”和“1”来表示。
量子比特是量子计算的基石。不同于传统比特只能处于0或1的单一状态，量子比特通过量子叠加原理，可同时表征0和1的叠加态。量子比特并行性使其信息存储量随比特数呈指数增长——当量子比特数达到250个时，其存储能力已超越宇宙中已知的原子总数。
这就如同一枚高速旋转的硬币，既非正面也非反面，而是同时承载着所有可能性。这种量子叠加让单个量子比特就能存储传统计算机两个比特的信息，而当多个量子比特纠缠在一起时，计算能力会呈指数级爆发——每增加一个量子比特，计算能力便翻倍增长。
“本源悟空”的72个量子比特能同时处理272种可能性，相当于传统计算机需要2万亿个存储单元才能实现的并行计算。
“本源悟空”等多台量子计算机真机（摄影 / 孙超）
传统计算机处理问题如同在迷宫中逐一尝试路径，而量子计算机则能同时探索所有可能的路径，直接找到出口。例如，在药物分子模拟领域，传统超算需要数月才能穷举所有分子组合，而量子计算机能在几分钟内完成。这种能力使得量子计算机在密码学、优化问题和人工智能等领域展现出颠覆性的潜力。
3. 量子计算的“加速器”
中国首条量子芯片生产线
（来源 / 安徽省量子计算工程研究中心）
超导量子计算机制造链有多个关键点，包括芯片、测控系统、制冷系统、软件及操作系统等。
01 “大脑”——量子芯片
量子芯片是量子计算机的“大脑”，是实现量子计算的核心硬件组件。简单来说，它的作用类似于传统计算机中的处理器。“本源悟空”搭载的超导量子芯片“悟空芯”，产自中国首条量子芯片生产线。
工作人员正在操作仪器，加工量子芯片
（来源 / 安徽省量子计算工程研究中心）
中国第三代自主72比特超导量子芯片模型
02 “指挥官”——量子计算测控系统
量子计算测控系统能够提供量子芯片的运行环境与接口，生成、采集、控制与处理量子芯片所需的精密信号，从而让量子芯片最大程度发挥其性能优势。
“本源悟空”搭载了中国首个自主量子计算测控系统——本源第三代量子计算测控系统“本源天机”。它首次实现了我国量子芯片的批量自动化测试，大幅提升了量子计算机整机运行效率。
03 “大管家”——量子计算机操作系统
操作系统是计算机软硬件的“大管家”，也是决定其性能的关键。“本源悟空”搭载了我国首个量子计算机操作系统——本源司南3.0。该系统在国内率先实现了支持量子计算任务的批处理，且可将计算任务在量子计算机和超级计算机之间进行分解、调度和分配，实现了两者的高效协同，从而将量子计算机的整机运行效率提升约10倍。
自主量子芯片工业设计软件、自主系列量子芯片工业母机、自主量子芯片生产线、自主量子计算测控系统、自主量子计算机操作系统……共同构成了中国首条自主超导量子计算机制造链。在这里，一台台“本源悟空”被制造出来。
4. 未来，量子计算可以做什么？
量子计算构建起的新一代计算体系，在处理海量数据、并行运算以及模拟原子、分子演进方面具有得天独厚的优越性。从模拟复杂的物理系统到优化大规模的组合问题，从加速药物研发到提升信息安全，量子计算有望为智能制造、金融分析、新材料研发、生物医疗、物联网等领域带来革命性转变。
量子计算蕴含着巨大的潜力，并逐步从实验室走向现实应用。它正与超算、智算（融合了人工智能技术的计算模式）、通算协同，构建“四算融合”的先进计算新模式。“本源悟空”已接入上海、郑州等超算中心，实现量子计算与超算的协同。这种量子计算、超算、智算、通用计算的“四算合一”体系，正推动中国算力基础设施迈向新高度！
责任编辑｜高琳 岳焕琦
运营编辑｜岳焕琦
质量审核 | 赵青云 王维嘉
图文来源 | 《知识就是力量》杂志《信息海洋中的“量子快艇”》，图文/郭国平（中国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”研制团队），原文有删改，原创作品转载请注明来源。
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