近日，中國迎來了首顆500+位元超導量子運算晶片，這項里程碑式的成果標誌著中國在量子運算領域取得了重大突破。

這顆名為「驍鴻」的超導量子運算晶片，由中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院精心研發並成功交付給國盾量子。這款晶片在整合超過500位元的同時，量子位元的壽命、閘保真度、閘深度、讀取保真度等關鍵指標，可望達到IBM等國際主流量子運算雲端平台的晶片效能，可以充分滿足千比特測控系統驗證的需求。

「驍鴻」晶片的問世，對於推動大規模量子運算測控系統的發展具有重要意義。它將被用於驗證國盾量子自主研製的千比特測控系統，該系統的整合度較上一代產品提升了10倍以上，核心元件使用國產化設計，既提高了操控精度，又大幅降低了成本。這項系統的成功驗證，無疑將為中國在量子運算領域的進一步發展奠定堅實基礎。

值得注意的是，「驍鴻」晶片的研發並非易事。超導量子運算晶片的研發需要克服許多技術難題，包括如何讓量子位元的品質和數量同步提升，從而真正提升晶片的性能。

中國科學技術大學博士、中電信量子集團副總經理王振表示，500+比特量子電腦的雲端接入，可以高效承載各領域用戶對有實用價值的問題和演算法開展研究，加速量子計算在實際場景中的應用，引領量子運算生態的快速發展。

那麼量子晶片究竟是什麼呢？它又能為我們帶來哪些令人矚目的應用？展望未來，它又將擁有什麼樣的發展前景？為何國內外眾多企業紛紛對其青睞有加？接下來，讓我們一同揭開量子晶片的神秘面紗。

01  量子晶片與普通晶片有哪些不同？

量子晶片作為量子電腦最核心的部分，是執行量子運算和量子資訊處理的硬體裝置。但由於量子運算遵循量子力學的規律和屬性，量子晶片與傳統積體電路晶片在材料、運算能力、製程成熟度、資訊處理方式和應用領域等方面都存在明顯的差異。

從材料來看，傳統晶片的核心材料主要是矽。矽也是量子晶片常用材料之一，在矽材料純度上，相較於經典晶片而言，量子晶片的要求更高。此外，III-V族化合物（如砷化鎵、磷化銦）也是量子晶片製造中重要的材料，它們具有高電子遷移率和高載流子濃度，更適合製造量子位元，且能階結構更容易控制。除此之外，量子晶片還可能涉及超導材料，石墨烯也被視為量子晶片的一種潛在材料。

從設計角度來看，同傳統積體電路晶片設計類似，量子晶片的設計也需要依賴設計與模擬軟體。但由於同半導體晶片電路特性不同，量子晶片電路原理和結構設計遵循完全不同的邏輯，不能直接使用現有的半導體晶片設計或模擬軟體，需要重新開發。

在製程方面，量子晶片的製造流程則更為複雜，特別是在處理超導材料或特殊半導體材料時，需要更高的製程精度和更嚴格的環境控制。不過，超導量子位元受材料缺陷的影響較小，利用成熟的奈米加工技術，可以實現大量生產。

從運算能力來看，量子晶片具有明顯優勢。以超導量子位元為例，其相干時間長、操作速度快、保真度高，能夠實現數千次操作。兩者的資訊處理方式和邏輯結構也為兩者帶來了不同的運算能力。普通晶片使用二進位數字（0和1）表示訊息，每個位元只能存在於兩種狀態之一。而量子晶片則使用量子位元（qubit）來表示訊息，量子位元可以同時處於多個狀態，即疊加態，並透過糾纏相互影響，使得它們之間的相互作用更加複雜和強大。這種特性使得量子晶片在處理複雜問題和執行某些特定任務時，相比傳統晶片具有更高的效率和精度。

從安全性角度來看，量子電腦可以在不洩漏原始資訊的情況下進行加密和解密。這意味著，量子電腦在資訊安全領域具有巨大的潛力，可以為我們提供更安全的網路環境。

兩者在應用領域也有顯著差異，普通晶片廣泛應用於現代電子設備的計算、控制和存儲，而量子晶片則因其獨特的量子效應和疊加態運算能力，在量子計算、量子模擬、量子通信等領域具有廣闊的應用前景。例如，量子運算可以在密碼破解、最佳化問題、藥物研發等領域發揮重要作用。

與現代大規模積體電路類似，半導體量子晶片具有良好的可擴展、可整合特性，被認為是未來實現大規模實用化量子運算的最佳候選系統之一。各大科技巨頭和企業紛紛搶灘佈局，競相在這一領域開展研發，以期在未來的量子運算競賽中佔據有利地位。

02   2023年全球量子運算的十大進展

在全球範圍內，量子運算技術得到了前所未有的關注和投資，量子電腦研發已成為全球主要國家在前沿科技領域攻關突破的重點方向之一。

IBM發布首款1000量子比特量子晶片

2023年12月，IBM在紐約舉行的年度IBM量子高峰會上，推出了第一台擁有1000多個量子位元的量子電腦。多年來，IBM一直遵循量子計算的路線圖，即量子位元數量每年約翻倍。這次發表的晶片名為Condor，擁有1121個以蜂巢狀排列的超導量子位元。

會上，IBM也推出了基於Heron晶片的最新量子系統IBM QuantumSystemTwo，並對量子系統的發展路線圖進行了重大更新。

Heron具備133個量子位元和可調諧耦合器，與IBM先前的旗艦127量子位元Eagle處理器相比，其設備性能提升了3-5倍，並顯著減少了串擾現象。值得一提的是，Heron採用了創新的模組化架構，其基礎是可調諧耦合器，與先前的量子處理器架構截然不同。

馬里蘭大學亞倫·斯米諾團隊研發最「長壽」量子比特

2023年5月，美國馬里蘭大學亞倫‧斯米諾團隊證明，磁通量量子位元可將量子特性維持更久。在最新研究中，斯米諾團隊在藍寶石晶片上以特殊配置鋪設極細的鈦和鋁線，在一排排超導「島嶼」之間形成許多通道，從而製造出了磁通量量子位元。這些細線只有在極冷溫度下才是超導體，因此他們將其保存在溫度接近絕對零度的冰箱內。

當晶片通電時，導線的特殊佈局和超導特性使其具有幾種不同的量子態，每一個都可用於將資訊編碼為1和0或兩者的疊加。研究團隊也測量了晶片的相干時間，以揭示量子位元的「壽命」。

斯米諾指出，最好的傳輸子量子位元的相干時間僅為數百微秒，而磁通量量子位元的相干時間約為1.48毫秒。他們也能改變量子位元的狀態，保真度為99.991%，使其成為現有最可靠的量子位元之一。

薩塞克斯大學和UniversalQuantum的研究人員實現在晶片上傳輸量子比特

2023年2月，來自薩塞克斯大學和UniversalQuantum的研究人員展示了他們如何使用一種新的強大技術，他們稱之為“UQ Connect”，使用電場鏈接使量子比特能夠以前所未有的速度和精度從一個量子計算微晶片模組移動到另一個量子計算微晶片模組。這使得晶片像拼圖遊戲一樣拼在一起，製造出更強大的量子電腦。薩塞克斯大學和UniversalQuantum團隊成功地傳輸了量子比特，成功率為99.999993%，連接率為2424/s，這兩個數字都是世界紀錄，比以前的解決方案好幾個數量級。

俞大鵬院士課題組聯合團隊發文展示量子糾錯優勢

2023年3月，南方科技大學量子科學與工程研究院俞大鵬院士帶領超導實驗室助理研究員徐源研究小組，聯合福州大學教授鄭仕標、清華大學教授孫麓岩等團隊在基於超導量子線路系統的量子糾錯領域取得突破性重大實驗進展。聯合團隊透過即時重複的量子糾錯技術延長了量子資訊的儲存時間，在國際上首次超越損益平衡點，展現了量子糾錯優勢。

NVIDIA發布用於加速量子-經典混合運算的全新系統

2023年3月，NVIDIA推出全球首個GPU加速的量子運算系統－NVIDIADGXQuantum結合了由NVIDIAGraceHopper超級晶片和CUDAQuantum開源程式設計模型所建構的全球最強加速運算平台,以及與QuantumMachines建構的全球最先進的量子控制平台OPX。

該組合使研究人員能夠建立將量子計算與先進的經典計算相結合的超強應用，進而推動校準、控制、量子糾錯和混合演算法的發展。

2023年5月，Quantinuum宣布推出量子運算系統H2，並成功創造和操控非阿貝爾任意子（non-Abeliananyon），邁出了建造容錯量子電腦的關鍵一步。

Quantinuum透過邏輯位元實作容錯演算法首次實現量子運算模擬

2023年7月，Quantinuum的科學家團隊在QuantinuumH1量子電腦上，使用了三個邏輯量子位元，運用一種早期容錯設備演算法－隨機量子相位估計（StochasticQuantumPhaseEstimation），成功計算了氫分子的基態能量。該專案的獨特之處在於，它將錯誤檢測作為演算法的一部分。

當程式碼偵測到在計算過程中產生錯誤的量子位元時，程式碼會立即終止計算，從而節省了量子資源。

IBM Q整合Q-CTRL錯誤抑制技術零配置實現“量子系統性能暴增”

2023年11月，IBM Quantum將量子運算新創公司Q-CTRL的錯誤抑制技術軟體Q-CTRLEmbedded整合到IBM Quantum的按需付費計畫中，以提高量子運算實用性和效能。經過同行評審研究以及系統測試，證明了量子系統可以運行的量子演算法的複雜性增加了10倍、量子演算法的成功率提高了1,000倍以上。

哈佛大學創史上最高48Q邏輯量子比特

2023年12月，致力於美國國防部高級研究計劃局（DARPA）中等規模帶噪聲量子優化(ONISQ)計劃的哈佛研究團隊創建了史上首個具有邏輯量子比特的量子電路，該量子電路含約48個里德堡原子邏輯量子比特，數量居世界之最。

量子計算硬體技術主要分為兩大類，一類是以超導和矽半導體為代表的人造粒子路線，另一類則是以離子阱、光量子和中性原子為代表的天然粒子路線。量子運算硬體研發目前處於各種技術路線並行發展和開放競爭階段。

中國科技巨頭阿里巴巴、騰訊、百度和華為透過與科研機構合作等方式成立量子實驗室，佈局量子處理器硬體、量子運算雲端平台等領域；而新創公司-本源量子，則在量子處理器硬體、開源軟體平台和量子運算雲端服務等方面進行探索。在量子通訊領域，國內企業紛紛佈局，其中三大業者一方面助力量子通訊的應用落地，另一方面也不斷創新應用技術、提升通訊等產業的安全標準。

此外，從投資總額來看，2023年全球量子資訊投資規模達386億美元，其中中國投資總額達150億美元，位居全球第一，可見中國對量子科技發展的資金投入力度與重視程度。

今年以來，中國在量子運算方面的研發不斷取得新進展，產業化步伐明顯提速。

除了「驍鴻」的發布，中國自主研製的第三代超導量子電腦「本源悟空」已經上線運行，吸引全球超過500萬人次訪問；北京玻色量子科技有限公司已發布新一代550計算量子比特的相干光量子計算機。

3月29日，中電信量子集團入圍國務院國資委確定的首批啟航企業，將加速建置抗量子運算的新型安全基礎設施，積極推動量子通訊產業化和量子運算實用化。

不過從現實來看，中國與在量子運算領域的發展與美國仍有不小的差距，尤其是在量子晶片和超低溫設備等核心技術方面。

作為量子技術的主要發展方向之一，量子運算因​​其具備運算能力跨越式發展的潛力，成為許多國家競相追逐的熱點。美國在量子運算產業鏈上具有明顯優勢，政府對量子運算的高度重視和大力支持推動了企業數量的成長，其中涵蓋了各類型的企業，包括IBM、Google、微軟、亞馬遜等代表性企業。美國在超導、離子阱、光量子等多個領域都保持領先地位，其科學研究創新和合作活躍，技術水準和引領能力處於全球前列。

德國、法國和其他歐洲國家在量子運算生態系統的發展上呈現出正面的趨勢。

德國政府的量子技術行動計畫旨在成為量子技術的全球領導者，提供資金和戰略框架。德國的量子運算企業數量排名全球第一，具有先進的技術能力，特別是在離子阱和中性原子等領域。不過，與美國相比，仍存在技術差距。

法國透過諸如國家量子技術戰略等文件強烈支持量子計算。然而，與美國和中國相比，投資和產出仍存在差距，硬體和軟體能力略低於德國。

英國、日本、加拿大和其他國家在量子運算的發展方面也取得了巨大的進展。英國政府的科學技術框架和國家量子戰略旨在鞏固其作為技術超級大國的地位，但與美國和中國相比，它在規模和類型上仍有缺陷。日本透過其量子未來產業創新策略強調實際和工業應用，但在量子軟體和服務方面仍存在一些缺點。加拿大已經啟動了一項國家量子戰略，並得到了政府的大力支持，特別是在光子量子技術路線方面，儘管它在硬體和軟體能力方面略落後於美國。

04  量子運算的商用元年是何時？

量子計算具有重要的科學意義和巨大的潛在應用價值。一方面，在摩爾定律的前提下，以矽基為基礎的積體電路技術演進已接近物理極限，量子運算有望成為後摩爾時代運算能力跨越式發展的重要方案之一。另一方面，量子運算作為新型算力，在資料處理速度和能力方面相比傳統電腦有顯著優勢，未來有望成為加速AI發展的重要引擎。

「十四五規劃」多次提到量子技術。 2024年政府工作報告明確提出開拓量子技術、生命科學等新賽道，創造一批未來產業先導區。

4月24日，北京市經濟與資訊化局、北京市通訊管理局聯合印發《北京市算力基礎建設實施方案（2024—2027年）》，方案提出支援量子晶片等新型技術路線發展突破以及量子運算等先進技術研發；《山東省算力基礎設施高品質發展實施方案》也提出積極佈局量子運算等新型算力，依托國家廣域量子保密通訊骨幹網絡，推動量子密碼應用技術與雲端運算技術結合，探索量子通訊規模化應用。

隨著量子運算演算法的持續演進，量子運算及量子通訊依靠其高保密性，低時延及高可靠性等特點，應用場景逐步從特種場景向民用消費級領域拓展，從而拓寬市場空間。

ICV數據顯示，結合量子運算所需的物理學基礎與演算法基礎，量子計算可望在10-15年內實現規模化商用。根據IDC數據，2022年全球量子運算技術(包括硬體、軟體和即服務解決方案)市場規模為11億美元，2027年將成長至76億美元左右。預計量子運算的商用元年在2030年，市場需求超過1,000億美元，2022-2030年年均複合成長率達79.72%。（半導體產業縱橫）

記者4月25日從科大國盾量子技術股份有限公司獲悉，中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院向該公司交付了一款504比特超導量子計算晶片“驍鴻”，這款晶片刷新了國內超導量子晶片比特數量的紀錄，後續也計畫透過量子運算雲端平台等向全球開放。

測控系統和量子計算晶片是量子電腦的核心硬件，其中，測控系統會極大影響量子電腦整體性能。為了驗證大規模測控系統的整體效能及各項指標，最直接的方式是客製化專用晶片進行全面系統性的測試。為此，量子創新院客製化研發了504位元量子運算晶片“驍鴻”，用於驗證國盾量子自主研發的千比特測控系統。

504位元超導量子運算晶片「驍鴻」（中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院供圖）

量子創新院副教授梁福田表示，這枚客製化晶片在整合超過500位元的同時，在量子位元的壽命、閘保真度、閘深度、讀取保真度等關鍵指標上，可望達到IBM等國際主流量子運算雲端平台的晶片效能，可以充分滿足千比特測控系統驗證的需求。

量子創新院研究員龔明強調，儘管刷新了中國量子比特數紀錄，但「驍鴻」晶片的主要目的是推動大規模量子運算測控系統的發展，並不具備實現「量子運算優越性」的能力。 2021年，中國科學家成功研發113個光子的“九章二號”和66比特的“祖沖之二號”量子計算原型機，使中國成為目前唯一在超導量子和光量子兩種物理體系上都實現“量子優越性」的國家。

「'500+位元'量子電腦的雲端接入，可以高效承載各領域用戶對有實用價值的問題和演算法開展研究，加速量子運算在實際場景中的應用，引領量子運算生態的快速發展。」中電信量子集團副總經理王振表示，下一步，中電信量子集團將聯合國盾量子，依托「驍鴻」晶片研發量子運算整機，連結中電信量子集團的「天衍」量子運算雲平台，開放給全球用戶使用。(環球時報)

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