近年来，量子计算机领域频频传来重要进展：美国霍尼韦尔公司表示研发出64量子体积的量子计算机，性能是上一代的两倍；2020年底，中国科学技术大学潘建伟教授等人成功构建76个光子的量子计算机“九章”；2月初，我国本源量子计算公司负责开发的中国首款量子计算机 *** 作系统“本源司南”正式发布……
作为“未来100年内最重要的计算机技术”“第四次工业革命的引擎”，量子计算对于很多人来说，就像是属于未来的黑 科技 ，代表着人类技术水平在想象力所及范围之内的巅峰。世界各国纷纷布局量子计算并取得不同成就后证实，量子计算虽然一直“停在未来”，但“未来可期”。
20世纪60年代，平面型集成电路问世，光刻技术成为了半导体元器件性能的决定因素：只要光刻精度不断提高，元器件的密度也会相应提高。因此，平面工艺被认为是“半导体的工业键”，也是摩尔定律问世的技术基础。
摩尔定律指出，平均每18个月，集成电路芯片上所集成的电路数目就翻一倍。虽然这并不是一个严谨的科学定律，但在一定程度上反映了信息化大数据时代人类对计算能力指数增长的期待。
随着芯片集成度不断提高，我们的手机、电脑等电子产品也在不断更新换代。那么，摩尔定律会不会被终结？
摩尔定律的技术基础天然地受到两种主要物理限制：一是巨大的能耗让芯片有被烧坏的危险。芯片发热主要是因为计算机门 *** 作时，其中不可逆门 *** 作会丢失比特，每丢失一个比特就会产生相应热量， *** 作速度越快，单位时间内产生的热量就越多，计算机温度必然会迅速上升，必须消耗大量能量用于散热，否则芯片将被高温烧坏。
二是量子隧穿效应会限制集成电路的精细程度。为了提高集成度，晶体管会越做越小，当晶体管小到只有一个电子时，量子隧穿效应就会出现。在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；而对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒，实际也是如此，这种现象称为隧穿效应。简单来说，当集成电路的精细程度达到了一定级别，特别是当电路的线宽接近电子波长的时候，电子就通过隧穿效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。
鉴于以上两点，物理学家预言摩尔定律终将终结。现有基于半导体芯片技术的经典计算机，芯片集成密度不可能永远增加，总会趋近于物理极限，应付日益增长的数据处理需求可能越来越困难。
最新一代的英特尔酷睿处理器，它的芯片每一平方毫米的面积已经集成了一亿个晶体管。我国的太湖之光超级计算机，大约用了四万多个CPU。如果摩尔定律终结，提高运算速度的途径是什么？破局的方向指向了量子计算。
给经典计算机带来障碍的量子效应，反而成为了量子计算机的助力。
费曼认为微观世界的本质是量子的，想要模拟它，就得用和自然界的工作原理一样的方式，也就是量子的方式才行。他将物理学和计算机理论联系到一起，提出了基于量子态叠加等原理的量子计算机概念。
比特是信息 *** 作的基本单元，基于量子叠加态原理，科学家们尝试用量子比特取代经典比特。
经典比特有且仅有两个可能的状态，经常用“0”和“1”来表示，就好比一个开关，只有开和关两个状态。而量子比特就好比一个旋钮，是连续可调的，它可以指向任何一个角度。也就是说，量子比特不只有两个状态，可以处于0和1之间任意比例的叠加态。想象一下，一枚摆在桌上静止的硬币，你只能看到它的正面或背面；当你把它快速旋转起来，你看到的既是正面，又是背面。于是，一台量子计算机就像许多硬币同时翩翩起舞。
假设一台经典计算机有两个比特，在某一确定时刻，它最多只能表示00、10、01、11这四种可能性的一种；而量子计算由于叠加性，它可以同时表示出四种信息状态。
对于经典计算机来说，N个比特只可能处在2N个状态中的一种情况，而对于量子比特来说，N个量子比特可以处于2N个状态任意比例叠加。理论上，如果对N个比特的量子叠加态进行运算 *** 作，等于同时 *** 控2的N次方个状态。随着可 *** 纵比特数增加，信息的存储量和运算的速度会呈指数增加，经典计算机将望尘莫及。
有报道指出，一台30个量子比特的量子计算机的计算能力和一台每秒万亿次浮点运算的经典计算机水平相当，是今天经典台式机速度的一万倍。据科学家估计，一台50比特的量子计算机，在处理一些特定问题时，计算速度将超越现有最强的超级计算机。
量子计算机是宏观尺度的量子器件，环境不可避免会导致量子相干性的消失(即消相干)，一旦量子特性被破坏，将导致量子计算机并行运算能力基础消失，变成经典的串行运算，这是量子计算机研究的主要障碍。
即便量子计算机的研究已经出现诸多成果，但还处在早期发展的阶段。倘若类比经典计算机，今天的量子计算机几乎是位于经典计算机的电子管时代，就连最底层的物理载体还没有完全形成。
目前主流的技术路径有超导、半导、离子阱、光学以及量子拓扑这五个方向，前四种路径均已制作出物理原型机。各国科学家研究比较多、也相对成熟的有超导量子计算、半导量子点量子计算等。
超导量子计算的核心单元是一种“超导体－绝缘体－超导体”三层结构的约瑟夫森结电子器件，类似晶体管的PN结。其中间绝缘层的厚度不超过10纳米，能够形成一个势垒，超导电子能够隧穿该势垒形成超导电流。与其他量子体系相比，超导量子电路的能级结构可通过对电路的设计进行定制，或通过外加电磁信号进行调控。而且，基于现有的集成电路工艺，约瑟夫森结量子电路还具有可扩展性。这些优点使超导量子电路成为实现可扩展量子计算最有前景的物理方案之一。
量子点量子计算，是利用了半导体量子点中的电子自旋作为量子比特。量子点是一种有着三维量子强束缚的半导体异质结结构，其中电子的能级是分立的，类似于电子在原子中的能级结构，因此被称为“人造原子”。量子比特编码在电子的自旋态上，使用微波脉冲或者纯电学的方法进行单量子比特 *** 控。量子点方案的优点则是量子位可以是嵌套在固态量子器件上，这与经典计算机的大规模集成电路的设计相似，被认为是最有可能实现大规模量子计算机的候选方案。
量子计算机的运算速度取决于其能够 *** 控的量子比特数。由于消相干的存在， *** 控量子比特难免出现错误，从而计算失效。以超导量子计算为例，一亿次的 *** 控最多只允许犯一次错误。 *** 控量子比特难度如此之大，以至于早期许多科学家认为量子计算机不可能制造出来。
目前而言，超导量子芯片要比半导体量子芯片发展得更快。2019年，谷歌公司发布了53个超导量子比特的量子计算原型机“悬铃木”。2020年12月4日，中国科大潘建伟团队构建起76个光量子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。
不过，无论是“悬铃木”还是“九章”，目前都只是仅能够处理运算特定数学问题的“原型机”。而我们的“星辰大海”是造出有大规模容错能力的通用量子计算机。毕竟，量子时代的“未来已来”，超强的量子计算值得期待。
智东西（公众号：zhidxcom）
文| 温淑
最近，中国量子计算第一创企 合肥本源量子计算 科技 有限责任公司捷报频传。就在两星期前的9月12日， 本源量子迈进公司成立第四个周年，同时重磅发布了全国首个超导量子计算云平台 。
利用超导量子计算云平台，用户可以借助手中的终端设备编写程序，远程使用量子计算机的算力， 标志着本源量子距离实现“推动中国量子计算事业产业化发展”的目标更近了一步 。
超导量子计算云平台发布会结束后，智东西与本源量子副总裁、核心管理团队成员张辉取得联系并进行了深度对话，听他讲述本源量子背后的成长故事。
本源量子副总裁、行政与人力资源总监-张辉
在原定采访时间到来后稍许，张辉在视频会议软件的另一边坐定。他边摘下口罩边连连表示歉意：“实在是不好意思，公司最近太忙了。”
对于本源量子来说，2020年有别样的意义。这一年，公司迈进第四个周年，团队规模攀升到接近100人；产品上，除了最近全国首发的超导量子计算云平台，今年12月还将把半导体体系的量子计算机“悟本”接入云平台；接下来的10月份，公司将进行价值三亿人民币的A轮融资，另外，本源量子计划在明年完成五至六个亿人民币的B轮融资。
尽管如此，在张辉的脸上很难看到疲惫。“最近我们技术和业务方面都非常忙碌，（因为）我们技术上突进得很快。”他说。
脱胎于中科院量子信息重点实验室，本源量子成立时间刚满三年，但已经成为我国量子计算领域的领军企业。张辉自己，不仅是中科院量子信息重点实验室的博士毕业生，而且本科、硕士阶段都就读于中科大。
但实际上，从2008年博士毕业，到2019年正式加入本源量子之间这十余年的时间里，张辉并未直接从事量子计算相关的工作。
在张辉看来，本源量子的成立，意义不只是中国量子计算商业化迈出第一步，还是他自己与量子计算的一场“久别重逢”；本源量子今天的成绩，除了是中国量子计算商业化发展的一个缩影，也是张辉本硕博9年学子生涯的回响。此外张辉称，除了他自己以外，还有不少“师兄弟”都聚集在本源量子。
这家成立仅三年的创企，到底有什么吸引力？今天，智东西与你一起，走进张辉与量子计算阔别和重逢背后的故事，解读这家成立刚满三年的创企，是怎样承载着几代人对量子计算的愿景坚毅前行。
把目光转回2008，张辉从中科院量子信息重点实验室博士毕业那一年。放眼望去，整个大陆没有一家量子计算企业。张辉说：“我们这些早期的毕业生，除了极个别的留在实验室继续做科研，其他人基本毕业就失业了。”
相比当时中国的商用量子计算领域的一片空白，欧美的玩家已经开始布局这个有着巨大潜力的新兴领域。比如，2006年，谷歌就搭建了量子AI团队，开始对量子计算机的 探索 ；另一量子计算巨头IBM的的研究更是可以追溯到上世纪90年代，1998年，IBM研究人员Issac Chuang等人利用氯仿核磁共振实现了两个量子数据位的量子搜索实验，成为量子计算的第一个演示实例。
“量子计算”之所以受到国际 科技 巨头的青睐，是因为其强大的并行运算能力。
量子计算是指遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。从原理上来说，经典计算通过控制晶体管电压的高低电平，从而决定一个数据是“1”还是“0”，对应的是经典比特。而量子计算机使用的量子比特，能够同时具备0和1的两种状态。
理论上，拥有 50 个量子比特的量子计算机性能就能超过目前世界上最先进的超级计算机 “ 天河二号 ” 。
2008年，国际上量子计算领域的兴起初现苗头，张辉却一脚踏进“毕业即失业”学生的队伍。他说：“当时在量子计算这方面，也不是没有继续做研究深造的机会，但是我想接触 社会 上的东西。”
毕业后，张辉回到老家上海，放下“量子计算高材生”的光环，开始从零到一地接触金融服务投资、园区招商、智慧生鲜等领域。张辉不无幽默地说：“（当时）做过的行业很多了，反正经过科大9年的培养，我们这些理科生学东西还是很快的。”
就这样，博士毕业后的张辉，进入了上海的一个园区招商部门。张辉坦承，当时曾想到自己可能还是会回到量子计算的领域，但他没想到的是，这场回归是在近乎10年之后，更没想到自己曾挥洒青春的实验室团队直接成立了公司。
就在张辉在商业领域摸爬滚打的同时。另一边，2013、2014年左右，中科院量子信息重点实验室的领军人物、也是我国量子计算领域第一梯队的一线研究者郭光灿院士、郭国平教授敏锐地意识到，中国的量子计算与国外的差距已经开始显现。
究其原因，一方面，国外 科技 巨头推动量子计算工程化的时间较早，2011年，加拿大的D-Wave系统公司就发布了“全球第一款商用型量子计算机”；而在那时的中国，量子计算仍旧是实验室中的项目。另一方面，中国的科研体制决定了，大多数像张辉一样的量子计算人才毕业后就面临着转行和做科研“二选一”的情形，科研成果难以传承。
就像张辉描述的：“‘前浪’做了五六年研究就毕业了，‘后浪’又要从头再来，所以那时候 我们实验室的工艺技术就一直停留在五六年的水平 ；但是谷歌、IBM就可以直接吸纳实验室的人才，让他们毕业后继续研究，所以 他们在人才和工艺技术方面已经积淀了 10 年以上的时间 。”
为了让中国不至于在量子计算的赛道上缺席，郭光灿院士、郭国平教授开始寻找解法。最初，他们希望由国内领先的 科技 企业来挑起大梁。2015年，郭光灿院士、郭国平教授接触了一些国内领先的 科技 企业。但遗憾的是，这些企业普遍认为量子计算的时代要到10年、20年后才会到来，无一愿意在2015年做出行动。
左二-郭光灿院士；左三-郭国平教授
寻找企业支持受阻，两位教授推进量子计算产业化的计划一度搁置，直到2017年，事情才出现转机。在一次党校学习的机会中，郭国平教授偶然结识了合肥高新建设投资集团董事长蔡霞和哈工大机器人集团董事长王飞。从郭教授的讲述中，两位投资人意识到了量子计算产业的巨大潜力以及中国量子计算产业化基础的贫弱。最终，这两位投资人为本源量子作出了两亿人民币的估值，并在种子轮为本源量子投资了3000万人民币。
但是，对于郭光灿院士和郭国平教授来说，打通了资金的障碍还远远不够——两位教授深耕技术多年，并不擅长企业运营，而从 社会 招聘渠道接触到的职业经理人又缺乏对量子计算领域的认知。
但好在，这正为在商业运营和投资领域打拼了近十年的张辉提供了用武之地。
2017年九月份，郭光灿院士和郭国平教授找到了张辉。当时的本源量子刚刚起步，内部管理工作尚不复杂，但外部对接融资等事宜较多。就这样， 张辉先以本源量子“编外人员”的身份，帮助本源量子对接外部资源。
到了2019年上半年，本源量子团队日益壮大，迫切需要更加专业化的运营管理。在这时，张辉主动提出想要正式成为本源量子的一员。
张辉说：“当时郭老师担心把我们这些已经相对稳定的学生叫回去创业，开不了高工资又背井离乡。但对我来说，本源的梦想是我的梦想，比做任何一份事业都有意义和价值，我要选一份可以余生倾尽全力去拼搏的事业，量子计算是不二的选择，也是我们国家最需要我们的地方。”
2019年6月份，张辉正式入职本源量子。他提到，除了自己以外，许多中科院量子信息重点实验室的早期毕业生都陆陆续续回到了这个领域。
“我们几个年长一点的师兄，在 社会 上有一些阅历和资源，我需要为本源量子贡献的是做好支撑的工作。我们都是在为了国家的量子计算事业而努力，从我的角度来说，我们（不论深耕技术还是商业运营）做的是一件事情。”他说。
2017年9月11日，本源量子正式成立，成为中国量子计算领域的第一家创企。至今，本源量子已经迈进第四个年头。
在过去的三年里，本源量子的进展不可谓不迅速。就像张辉说的，本源量子不仅要为中国的量子计算保留和培育人才，更要“死死咬住”国际量子计算领域的第一梯队。
从人才规模来看 ，本源量子的人才队伍从2017年的十几人、2018年的二三十人，攀升到2019年的五六十人。张辉称，目前，本源量子的规模即将突破百人，预计到2021年将达到150 200人。另外，在本源量子团队中，研发人员占比超过75%。
本源量子量子芯片部工作人员在微纳加工室内
本源量子的规模不断壮大也让张辉感到自豪。近些年来，国内的 科技 企业开始把目光投向量子计算。仅2018年一年，百度成立了量子计算研究所、腾讯成立了量子实验室、华为聘来南方 科技 大学物理系教授翁文康担任量子计算软件与算法首席科学家。
张辉说：“相比较来说，这些企业资金比我们充足，但本源量子在量子计算人才上占据着优势。”
从推出产品的步伐来看 ，经过约两年的攻关，本源量子已经研发出 分别基于半导体和超导两种技术路径的量子计算机原型机 “ 悟本 ” 和 “ 悟源 ” ，2019年8月6日，这两款原型机落地于合肥高新区内的本源量子计算体验中心，这也是 国内首家量子计算教育科普基地 。
“悟源”量子计算机线路细节
就像传统计算机的核心部件是CPU，量子计算机的核心部件则是量子芯片（qCPU）。由于量子计算体系尚处于初级阶段，各国研究者正从已知的多种能产生量子效应的物理体系入手，试图找到打造量子芯片的“最优解”。
目前，量子芯片的物理制备体系有超导量子体系、离子阱体系、半导体量子点体系、光量子计算机体系、中性原子体系、拓扑量子体系等。其中，超导量子体系和半导体量子点体系是较为成熟的两种技术路径，也是本源量子深耕的两条跑道。
张辉说：“其实在中科院的实验室里，研究量子计算的人才并不是仅聚焦于超导和半导体这两条路径，做光学体系的、做离子阱的都有，只是我们把做超导、半导体体系研究的这部分孵化成立了公司。”
在量子计算领域，超导量子体系、半导体量子点体系在工艺制程、 *** 控等方面具备一定的关联度，被统称为固态电学器件。张辉称：“我们认为，在一定程度上，选择的这两条路径可以互相补充和促进。”
目前，半导体体系的“悟本”量子计算机原型机搭载的是代号“玄微”的第二代硅基自旋二比特量子芯片；超导体系的“悟源”量子计算机搭载的是代号“夸父”的六比特超导量子处理器。
夸父芯片实拍图
值得一提的是，本源量子研发的量子计算机，从EDA软件到封装测试，全部都具有自主知识产权。张辉说：“我们的玄微和夸父芯片，从怎么设计、怎么长晶、芯片怎么封测，全是本源量子从0到1去构建的。”
今年 9 月 12 日，本源量子发布了我国首个超导量子计算云平台 ——接入“悟源”超导量子计算机，标志着我国距离量子计算的商用化再进了一步。
量子芯片与经典芯片的一大不同，在于量子芯片需要在接近绝对零度的极低温条件下工作。也就是说，一台量子计算机不仅需要搭载量子芯片和量子测控系统，还需配备制冷系统。这导致现有量子计算机的体型巨大，也成为量子计算机短时间内难以“飞入寻常百姓家”的一个原因。
制冷机内部
以“悟本”、“悟源”为例，这两台量子计算机原型机，占据了一个长、宽、高分别为12米、8米、4米的实验室。
而通过云平台，用户可以借助手中的电脑、手机、平板等设备进行编程，“远程”借助量子计算机的算力运行程序。
我们得知，今年12月，半导体体系的“悟本”量子计算机也将接入本源的量子计算云平台。
尽管本源量子进展神速，但张辉预计，面对量子计算这块大国“必争之地”，中国与美国，已经拉开了4 5年的差距。
而在这背后，是人才、资金、基础教育、制造等方面的不足。
谈到人才，张辉直言“非常缺”、“特别缺” 。“我们作为一个创业团队，三年时间达到100人的规模，已经可以说是比较大的体量了。但是实际上我们（的人才数量）远远不够，我们非常缺人！另外我们要咬住国际量子计算的第一梯队，人才质量也要不断的优化和调整，所以人才这块可以说是特别缺！”他说。
在张辉对于人才的焦虑背后，是中外量子计算人才规模的差距。张辉分享了一组2018年的数据：当时美国白宫统计，全球一线做量子计算的人才不超过1000人，而中国的相关人才数量不到100人。张辉苦笑：“你可以想到了，这不到一百人可能有一半在中科院，剩下的在北大清华南大浙大等等。我们只有几十人能干这个事，在那个时间点美国可能占了这个人数的一半以上吧。”
另外，目前中国的教育体系中，本科并没有开设明确面向“量子计算”的学科。因此，本源量子采取了吸纳“1/2人才”的策略，以保证人才的增速。张辉解释道：“就是我们招一些学计算机的人才，来教他们物理学；或者我们招一些物理学的人才，来教他们计算机。这样他们一边跑，我们一边带着学。”
这种“教育”的基因也成为本源量子的特色。我们得知，除了2019年在合肥落成的量子计算科普教育中心，本源量子还有专门的教育和宣传部门。
教育方面，2019年三月，本源量子教育云平台上线，同年九月，本源量子发布了国内第一部专业的量子计算与编程教材《量子计算与编程入门》。
本源量子编写的量子计算专业教材
宣传方面，本源量子成立了一个四五人规模的宣传部门，日常会完成和分享漫画、短视频形态的科普作品，帮助大众加深对量子计算的认知。
本源量子官网上的宣传漫画
采访中，我请张辉用一个比喻描述一下量子计算。他说：“如果去对照经典计算的发展 历史 来说，现在量子计算机就相当于处于电子管时代的经典计算机，连晶体管时代都还没到。”
在量子计算尚处于初期的背景下，要在习惯于接受经典信息的大众脑海中构建起量子物理的世界，势必任重道远。
但张辉强调，培育量子计算人才是本源量子的初心。张辉说：“就像本源量子两位创始人说过的，我们做好了成为先烈的准备。就算有一天本源量子不在了，但是本源量子培养出来的人都还在！”
从2008年到2020年，时间的齿轮转动过12年，张辉兜兜转转，终于回到了“量子计算”这个出发点。在张辉这朵奔流向海的“浪花“背后，国内量子计算产业环境亦发生了变化。
2017年，“十三五”国家基础研究专项规划，正式将量子计算机列为“十三五”器件中，“事关我国未来发展的重大 科技 战略任务”的首位。同年，“十三五” 科技 军民融合发展专项规划中提到，要推动包括量子计算在内的新一轮军民融合重大 科技 项目论证与实施。
另外，相比2008年量子计算“一片空白”的情况。目前，在企业征信平台“企查查”上搜索“量子计算”关键词，搜索结果显示，共有717家符合条件的企业。
在中国的量子计算的浪潮中，本源量子以及涌现出的各类企业，既引领着“浪潮”向前奔涌，也在“浪潮”中不断成长、成熟；国家、科研工作者、 社会 各界对国产化重要性认识的提升，共同推进着量子计算、5G、人工智能等每个新兴技术领域的发展。
这一次，面对各类有望带来 社会 根本变革的各类新技术，中国将不会像当初错过经典计算的风口那样，再一次缺席。
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