在量子计算迅猛发展的当下，范桁带领团队选择了一条更“慢”的路——瞄准量子芯片的根本目标，解决“真”科学问题。

“量子计算具有优越性，但是否能真正解决具有科学价值的问题，大家并不确定。”作为中国科学院物理研究所（以下简称物理所）固态量子实验室主任，范桁带领团队走过了漫长的7年。

范桁带领的超导量子计算与模拟团队与北京大学等合作，研发出新一代基于倒装焊技术的“庄子2.0”芯片，集成有成方格排列的78个超导量子比特，并利用此芯片解决了随机多极驱动预热化研究中的科学问题。相关研究成果于1月29日发表于《自然》。

RMD驱动及“庄子2.0”超导量子芯片预热化示意图，不同的驱动模式能够控制预热化的快慢。（物理所供图）

慢即是快。“通过研究，我们距离理解和控制高度复杂的量子世界更进一步。”范桁说。

从“演练”到“实战”

量子计算机的优越性，是指在某一特定问题求解上的计算能力能够超越经典计算机，也被称作“量子霸权”。

2019年，谷歌宣称实现了“量子霸权”，即在“悬铃木”量子计算机上只用200秒就能完成“随机量子线路采样”问题，而当时排名世界第一的Summit超级计算机需要计算1万年才能解决这个问题。然而，中国科学家通过一种创新算法，在经典计算机上花费数10秒便解决了该问题。

近年来，量子计算快速发展，中外科学家通过“随机量子线路采样”等不同类型问题来验证量子计算的优越性。

“随机量子线路等问题由人为设计，是为验证量子计算优越性的演示实验，这当然是有意义的。”范桁告诉《中国科学报》。

但是，量子计算在实际中真的有优越性吗？能实用吗？这就像一个人要证明自己力气大举起千斤重物，下一步，这身力气在实际生活中能不能盖房子、修路。

量子计算研究，到了一个需攻克经典计算难以解决的“真”问题的阶段。

范桁表示，量子计算机要实现实用化，首先需要规模足够大；其次，需要长时间且高精度的操控来驱动，而操控本身的错误随时间是积累的，精度足够高才能保证最终的结果是可靠的；此外，要求芯片具有高质量的、长相干时间，也就是稳定性要高。超导量子比特芯片在增加比特数和提升精度达到相对均衡时，才能在解决特定问题上获得量子优势。

求解真问题

寻找“真”问题的范桁与求解“真”问题年轻学者赵宏政一拍即合。

2023年，几乎在“庄子”2.0诞生的同时，赵宏政回国担任北京大学助理教授。在物理所报告中提到了“预热化”难题。

当前，实现量子计算和量子模拟离不开操控量子态和实现特定功能。然而，这些操作往往伴随着额外的能量“扰动”，不断吸收能量而丢失信息，在理论上将最终走向“完全无序”。“预热化”现象的发现为从有序走向无序提供了“窗口期”。

已有研究表明，被驱动的量子系统在相当长的一段时间内，并不会立刻失控，而是会停留在一种相对稳定的中间状态。这意味着，即使系统处于持续驱动之下，仍然有一段时间“可预测、可控制”，为量子信息保存提供可能，实现更加可靠的量子控制。

这就像一块冰升温：一开始温度上升很快，随后进入冰和水共存的阶段，最后化成水。

然而，这个反直觉的“预热化”（冰水共存阶段）会持续多久、何时加快或减慢，又受到哪些因素影响，早已超出经典计算机的预测能力。

科研人员在“庄子”2.0上进行操控。有趣的是，他们改变传统简单重复路径，通过改变加热的方式和节奏，科学家可以调节平台（冰水共存阶段）的持续时间，这种独特的方式，使得量子系统既能吸收能量热化，又能在完全混乱前保留部分初始状态。

范桁表示，这项实验不仅发现了预热化平台和可控规律，还展示了量子芯片在模拟复杂系统上的独特优势。目前的实验方案是国际首次在量子模拟器上实现超越周期（准周期）的随机驱动的可调预热化的系统性的研究，为人工驱动调控量子系统拓宽了新的研究方向。

科学问题牵引技术发展

一个根本性问题还必须回答：这些结果，经典计算方法能不能算？

他们找到曾成功“瓦解”谷歌量子霸权的中国科学院理论物理研究所研究员张潘，他带着学生用当前最先进的张量网络等经典算法计算了一个月，结果失效。这基本可以意味着这是一个经典计算难以解决的“真”问题。

范桁表示，当前，量子计算实用化的验证需要方案设计创新、特色测控技术、芯片规模和性能共同作用。

在2018年，范桁开始布局建设超导量子计算实验平台。2021年，范桁团队与合作者研发出了一款超40比特的一维超导量子“庄子”芯片。从40到78，每拓展一个量子比特，需要增加一套电子系统控制读取。除了大量经费投入，操控复杂度也呈指数级增加。

“一整年几乎都在失败。一次次满怀期待，换来一次次失败，且每次原因都像是跟我们捉迷藏，且各不相同。”论文第一作者梁珪涵与刘政和常在深夜复盘，给自己打气，他们枯燥而笨拙地努力着，等待成功。

终于在2023年11月19日，他们在制备完成的第三批78比特芯片中，诞生了一颗良率100%的芯片——“庄子”2.0。

在显微镜下观察小尺寸芯片。（物理所供图）

“庄子”2.0。（物理所供图）

“以重要的科学问题为牵引，驱动量子计算技术的创新发展。”范桁带领团队走出了一条独特的量子之路。

在范桁看来，科学家的共同目标是实现真正的通用量子计算机，但未来仍有一段艰难的道路要走，包括研制更大规模超导量子芯片（百比特以上），实现多种比特耦合架构和高精度操控技术，实验探索等更复杂多体问题，力争展现“可验证的实用化量子优势”。“在这个过程中，我们可以不断‘沿途下蛋’，技术每上一个台阶，就力求先解决一个实实在在的科学难题。”

相关论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09977-x