在科技日新月异的当下，量子计算作为前沿科技的璀璨明珠，不断传来振奋人心的消息。近期，谷歌公司震撼发布Willow新量子芯片，其拥有的105个“量子比特”再次刷新了量子计算的认知边界。与此同时，中国科学家亦不甘示弱，同样拥有105个量子比特的“祖冲之三号”量子计算机研究成果在学术预发布平台arXiv上崭露头角，中美两国在量子计算领域的竞争愈演愈烈。

尽管量子计算机距离实际应用尚有较长路程，但无数科学家已投身其中，致力于将这一梦想变为现实。其中，中国科学院院士、深圳国际量子研究院院长俞大鹏教授便是杰出代表。他早年深耕纳米技术，近年来领导深圳国际量子研究院，在量子计算领域取得了显著成就。

近日，证券时报记者对俞大鹏院士进行了深入专访，就量子计算的相关问题进行了全面探讨。俞教授感慨道，量子计算机是人类挑战操控微观世界极限的世纪系统工程，其复杂性和难度超乎想象。

微观世界的奥秘

量子计算，这一建立在量子力学基础上的新兴领域，对大多数人而言仍显得神秘莫测。量子理论由20世纪初的一系列杰出物理学家共同奠定，德国物理学家普朗克首次提出量子概念，随后爱因斯坦、玻尔、薛定谔、狄拉克等人纷纷加入，共同揭示了量子现象的奥秘。在20世纪前半期，一个完整的量子力学理论框架逐渐建立起来。

物质由不可分割的原子构成，但在比原子更小的微观世界里，电子、光子、夸克和胶子等基本粒子的存在和运动方式让物理学家们惊叹不已。他们通过一系列观察和推算，逐渐揭示了这些微观粒子的运动规律，科学界将纳米尺度以下的微观世界所遵循的力学原理称为量子力学。

量子运动具有非连续性、不可分割性，以及叠加和纠缠等特性。叠加态指一个量子系统可同时处于多个状态之中，而纠缠态则指两个或多个量子系统之间存在一种神秘关联，使得它们的状态无法被单独描述。这些特性使得量子世界充满了奇妙和神秘。

薛定谔的猫实验是对量子状态最著名的描述之一。在这个实验中，一只猫可同时处于生与死的叠加状态，但当我们打开笼子观察时，猫就会“坍缩”到生或死这一确定状态。这种奇特现象令人难以理解，甚至爱因斯坦也感到费解，他曾感叹：“上帝为什么会掷骰子呢？”

量子计算机与经典计算机的对比

现行计算机基于电流的开关进行运算，通过一开一关的组合实现复杂运算功能。这种运算方式可简化为1和0的组合，原理简单易懂。然而，量子计算机则完全不同，它以量子比特为基本运算单元，利用量子世界的叠加规律，使得一个量子比特可同时处于0和1之间的任何两个状态的叠加态中，只是概率大小不同而已。这种叠加态特性使得量子计算机能够同时处理多个任务，大大提高运算效率。

俞大鹏院士善用迷宫比喻来解释量子计算的威力。他说：“如果我们派100个人走一个特别复杂的迷宫，每个人相当于一个经典比特，这100个人不允许带手机交流，只能试错前进。最后这100个人全部从出口出来，相当于各自独立完成了任务，互相之间没有纠缠和干扰。但如果我们用量子计算机派出100个量子比特去走这个迷宫呢？它们会构筑一个2的100次方的线波特态空间，相当于孙悟空拔出一根毫毛变出了2的100次方个猴子，每个猴子都能同时去探路。这些猴子之间互相纠缠、相干相消，走通的地方就消失了，走不通的地方则省去了很多计算过程。这就是量子计算机无与伦比的计算模式优势。”

算法与实现路径

量子计算的算法是其核心所在。科学家们构建了诸多工具来计算和描述量子状态，如将量子状态想象为一个布洛赫球，使用傅里叶变换算法来计算其某个状态的概率。这些算法为量子计算提供了强大的理论基础。

在量子计算中，常见的量子门有Hadamard门、CNOT门和Pauli-X门等，它们相当于经典计算机中的逻辑门，用于对量子比特进行操作和运算。通过组合这些量子门，科学家们可构建出各种复杂的量子算法来解决实际问题。

Shor算法和Grover算法是量子计算领域的重要突破。Shor算法利用量子叠加态进行大数分解，能在多项式时间内完成经典算法需要指数时间才能完成的任务。Grover算法则利用量子叠加态进行快速搜索，能在平方根的时间内找到目标项。这些算法的提出进一步证明了量子计算在处理特定问题时的巨大优势。

目前，量子计算机的技术路线有多种，其中超导量子计算是主流之一。超导量子比特芯片加工工艺与半导体行业微纳加工工艺相似，具有器件结构尺寸较大、成品率高、耦合容易且形式灵活多样、可扩展性高以及操控速度快等优势，使得超导量子计算成为最有可能实现通用量子计算的路线之一。

设备与挑战

量子计算的精准控制需要高精尖的设备支持。俞大鹏院士深知这一领域的门槛之高，早在上世纪90年代便对量子计算产生浓厚兴趣。他通过多年研究，逐渐掌握了量子调控的技艺，并在深圳国际量子研究院的平台上，为量子计算的研究提供了全新支持。

深圳国际量子研究院已实现了设备的自主可控和全链条自主加工，不仅提升了我国在量子计算领域的国际竞争力，更为南方科技大学的物理学科注入了新活力。在研究院的实验室里，科学家们正为量子计算做着各种尝试和努力，包括超导量子计算、离子阱计算等多个方向。

尽管量子计算机在某些特定问题上已展现出巨大优势，但仍处于量子霸权或量子优越性阶段，尚未实现实际应用价值。量子计算机的研发是一项世纪系统工程，挑战着人类操控微观世界的极限能力。未来，科学家们将继续探索合适的材料和方法，以期揭开量子计算的神秘面纱。

（文章来源：证券时报网，图片来源于网络）