【嘉宾】郭国平：中国科学技术大学教授、中国计算机学会量子计算专业组秘书长、本源量子首席科学家。长期致力于固态量子计算的研制开发工作，在量子芯片、量子测控系统、量子软件和量子云平台等方面取得了多个原创性成果，对量子计算的实用化进行了重要的探索。慕容素娟：大话芯片总编
近日，日本理研研究所宣布，日本首台国产量子计算机将于本月底上线。该研究所表示，量子计算机仍处于原型阶段，并计划将其连接到Fugaku 超级计算机，并在2025 年启动更广泛的应用。与此同时，3月15日，英国将投资25亿英镑，启动一项为期10年的国家量子技术计划，希望把英国变成“下一个硅谷”。
为此，《大话芯片》特地采访了量子计算专家郭国平教授，为我们揭开量子芯片、量子计算的神秘面纱，并分享中国量子计算的推进情况。郭国平教授在访谈中指出，传统计算机上，中国用的芯片、操作系统、软硬件，基本都是别人的；不过，在量子计算机上，中国落后的没有那么多，甚至有赶超的可能性。
慕容素娟：与传统芯片相比，量子芯片有哪些不同？
郭国平教授：我们日常用的智能手机、电脑、手表等产品中用的都是传统芯片，主要是晶体管，量子芯片的工作环境更苛刻，量子计算机中必须保证量子芯片工作在20mk（零下253摄氏度）左右的极低温环境，而半导体技术路线的量子芯片的生产流程与传统芯片差异不大，包括设计、流片、封测、集成等，可以突破绝对零度温区限制，对温度要求更加宽松。但是，超导量子芯片对温度提出了更高的要求。
慕容素娟：2022年诺贝尔物理奖中有量子纠缠，量子纠缠与量子计算有何异同？
郭国平教授：量子纠缠是量子力学中的一种非经典现象，也是量子计算优于经典计算的重要原因之一。
在量子力学中，一个粒子一旦具有纠缠状态就会在其周围形成不确定的二进制叠加态。这种现象叫做量子纠缠(QUEST)。简单来说，量子纠缠就是两个在状态的不同组合引起的相互作用，在这种情况下，如果其中一个作为“多点”叠加态存在，那么另一个作为“零点”叠加态也可以同时作为“多点”叠加态存在司时如果其中一个作为“多点”叠加态存在时，另一个作为“零点”叠加态也可以同时作为“多点”叠加态存在;如果其中一个处于0态，另一个则处于0态或1态，如果其中一个作为“零点”鲁加态存在，另外一个作为“多点”叠加态存在(0和1都为“0”)，那么如果同时存在3个以上在0态或1态与0态之间的互动，就会出现具有相反作用特征的量子状态一这即是纠缠效应(QUEST)。
而量子计算是一种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。传统计算机算法基础是0或1的状态，而量子计算机则可以实现“既是1又是0”，因为量子纠缠的特性，在解决特定问题时，多个纠缠在一起的量子比特能同时实现指数级别递增的超强算力。
慕容素娟：量子芯片需要在零下250度左右的环境下工作，量子芯片的生产需要哪些特殊的材料和特殊的工艺？
郭国平教授：目前，超导和半导体量子芯片所需的晶圆主要在国内采购，量子芯片的好坏与材料性能、尤其是低温下的性能关系极大，超导方向的材料与国际上无技术差距。半导体方向的材料对晶圆要求更高，目前国内的材料与国际上还有一定的差距。量子芯片需要对硅做提纯，但是传统芯片不需要。当前的工艺包括平面工艺、空气桥工艺、芯片堆叠工艺等。
慕容素娟：与传统芯片相比，量子芯片的生产有何不同？
郭国平教授：传统芯片也就是经典集成电路芯片，它是通过一个个晶体管构建经典比特，二进制信息单元即经典比特，基于半导体制造工艺，采用硅、砷化镓、锗等半导体作为材料。
而量子芯片采用2个量子状态来叠加及纠缠，用以执行以量子比特为基础的运算，因此只要物质的物理性质具有两个易于操作的量子态，都有可能成为量子比特的制作基础，类似经典集成电路芯片中高低电平代表的“1”与“0”。
根据构建量子比特所采用的不同物理体系，量子比特在物理实现方式上包括超导量子电路、半导体量子点、离子阱、金刚石空位、拓扑量子、光子等。
经典集成电路芯片包括数字和模拟芯片，量子芯片可以视为一种模拟芯片，主要采用的制程在100纳米左右，但与经典集成电路芯片最大的不同在于制造的工艺与材料不同。
其中，超导量子芯片利用约瑟夫森结构成的超导电路来实现二能级系统，主流材料是铝，通过在铝膜上刻蚀电路形状，用微波信号实现对其控制。半导体量子芯片是在传统的半导体微电子制造工艺基础上，寻找到能够实现控制的电子，通过控制电子的多个自由度实现二能级系统。
慕容素娟：应用量子芯片的量子计算机，与传统计算机的工作原理有何不同？
郭国平教授：量子计算机的核心——量子芯片，具有多种不同的呈现形式。绝大多数量子芯片，名副其实是一块芯片，由集成在基表面的电路结构构建出包含各类量子比特的量子电路。
量子计算机，是建立在量子芯片基础上的运算机器。在量子计算机工作原理中，最关键的两点是：如何将运算任务转化为对量子芯片中量子比特的控制指令；以及如何从量子芯片上量子比特的量子态中提取出运算结果。
除此以外，量子计算机需要提供能维持量子芯片运行的基本环境。以上这些都需要特殊的硬件系统来实现，它们实现了量子计算机软件层到量子计算机芯片层的交互。这些都与传统计算机不同。
慕容素娟：除了计算机、通信等应用之外，量子芯片还可以应用在哪些领域？
郭国平教授：量子芯片主要还是在量子计算机中运行的，当然量子计算的一条衍生产业链低温电子元器件，未来或将用于探月工程、深海工程等方向。
慕容素娟：全球量子计算的发展情况如何？量子计算对我国有哪些意义？当前我国处在哪些水平？
郭国平教授：欧美在量子计算硬件整体实力上处于领先，当然也得益于传统半导体工业基础的雄厚，我们看到IBM发布了433bit的超导量子芯片，这是目前国际上最先进的水平。
传统计算机上，中国全面落后，我们用的芯片、操作系统、软硬件，都是别人的，“卡脖子”现象频繁。但是在量子计算机上，我们落后的没有那么多，甚至有赶超的可能性，我国在量子计算赛道的发展较慢，传统工业基础的薄弱，更没有完整的产业链和生态圈，当前依旧处于追赶的态势。
慕容素娟：我国量子芯片产线的团队平均年龄不到30岁，团队有60人左右，硕士和博士占比大概30%。团队的情况能否和我们进一步介绍下？
郭国平教授：目前国内的这条量子芯片生产线，集结了60多位工程师、专家；芯片产线上的每个环节都有对应的工程师在负责，在这条产线上，由两个项目组的负责人专门研发出了量子芯片的“火眼金睛”——无损探针仪和量子芯片“激光手术刀”——激光退火仪两台量子芯片工业母机。
慕容素娟：量子计算在国内属于前沿的领域，这方面的人才培养存在哪些挑战？我们是如何培养出这些人才的？
郭国平教授：量子计算在国内外都是尖端科研方向，国内量子计算人才培养挑战主要原因有，高校量子计算专业课程体系不够完善，教学资源少之又少，量子计算教资人员本身存在匮乏，另外门槛高也是重要因素，因为量子计算涉及计算机学、物理学、数学等多领域的专业基础。
本源量子为了培养量子计算人才，实施了覆盖中小学课堂的科普教育、覆盖高校的专业教学、覆盖各行业的“量子计算+”培训，从多个维度来建设一代又一代的中国量子计算人才队伍。
慕容素娟：量子计算作为前沿技术，在产教融合方面有哪些联动？
郭国平教授：“北创助教项目（二期）”是教育部科技发展中心为促进信息技术与教育深度融合，与北京创新研究所联合设立的课题项目，该项目支持高校在量子计算、人工智能、轨道交通、智慧财务、智能建筑、社会科学、国际化人才培养等领域的科研和教学改革创新研究。本源量子是“北创助教项目（二期）”目前唯一官方授权合作的量子计算企业。
其次，本源量子也成功接收教育部行指委“科创融教”创新基金课题的授权书，成为国内首家入选“科创融教”项目的量子计算企业。该课题是由教育部行指委结合北京创新研究所“科创融教”创新基金立项，面向国内高校的省部级纵向课题。
上述两个课题将有效推动量子计算的产教融合工作。