中国首次实现量子优越性：“九章”问世！全球第二速度

12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

200秒只是短短一瞬，6亿年早已是沧海桑田。

图片来自新华社

据潘建伟团队介绍，之所以将这台量子计算机命名为“九章”，是为了纪念中国古代数学专著《九章算术》。

《九章算术》是中国古代张苍、耿寿昌所撰写的一部数学专著，它的出现标志中国古代数学形成了完整的体系，是一部具有里程碑意义的历史著作。而这台名为“九章”的新机器，同样具有里程碑意义。 

什么是量子计算机？

“量子计算机是用量子力学原理制造的计算机，目前还处于很初步的阶段。相应的，现有的我们在用的计算机被称为经典计算机。两者的计算形式不一样，电脑通过电路的开和关进行计算，而量子计算机则是以量子的状态作为计算形式。” 中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室副研究员袁岚峰说道。

我们日常使用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息在硬件电路里都会转换成1和0，每个比特要么代表0，要么代表1，这些比特就是信息，然后再进行传输、运算与存储。正是因为这种0和1的“计算”过程，电脑才被称为“计算机”。

而量子计算，则是利用量子天然具备的叠加性，施展并行计算的能力。“量子力学允许一个物体同时处于多种状态，0和1同时存在，就意味着很多个任务可以同时完成，因此具有超越计算机的运算能力。”中科大教授陆朝阳说，每个量子比特，不仅可以表示0或1，还可以表示成0和1分别乘以一个系数再叠加，随着系数的不同，这个叠加的形式可能性会有很多很多。

“目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统，不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子，这次的‘九章’使用的是光子。”袁岚峰说。

光量子干涉实物图：左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。

图片来自中国科学技术大学

“九章”量子计算原型机光路系统原理图：左上方激光系统产生高峰值功率飞秒脉冲；左方25个光源通过参量下转换过程产生50路单模压缩态输入到右方100模式光量子干涉网络；最后利用100个高效率超导单光子探测器对干涉仪输出光量子态进行探测。

图片来自中国科学技术大学

“九章”的成果，就是实现了量子计算优越性。所谓的“量子计算优越性”，又称“量子霸权”，这一科学术语是指：作为新生事物的量子计算机，一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明了量子计算机的优越性，使其跨过了未来在多方面超越传统计算机的门槛。

什么是高斯玻色取样？

量子计算机具有超快并行计算能力，它通过特定算法在一些重大问题方面实现指数级别的加速。“九章”解决的“高斯玻色取样”问题就是一种。

“高斯玻色取样”是一个计算概率分布的算法，可用于编码和求解多种问题。其计算难度呈指数增长，很容易超出目前超级计算机的计算能力，适合量子计算机来探索解决。

“玻色取样是用来展示量子计算优越性的特定任务中的一项，一直被科学家寄予厚望。”袁岚峰说，“大致可以理解为，一个光路有很多个出口，问每一个出口有多少光出去。”

由于量子力学赋予了光子很多匪夷所思的性质，使得光子的不同路径之间，不但可以相互叠加，也可以相互抵消，具体结果视情况而定，非常复杂。“在面对这样的难题时，玻色取样装置就有了用武之地。由于它像计算机一样，能够在较高的精度上解决特定的数学问题，同时又应用了光子的量子力学特性，所以可以称作是一种‘光量子计算机’。”袁岚峰说。

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美国麻省理工学院副教授，青年科学家总统奖、斯隆奖得主德克·英格伦评价说，潘建伟团队的研究“是一个划时代的成果”，是“开发中型量子计算机的里程碑”。维也纳大学教授、美国物理学会会士菲利普·沃尔泽也认为：“他们在实验中拿到了目前最强经典计算机万亿年才能给出的计算结果，为量子计算机的超强能力给出了强有力的证明。”

“九章”如何应用？

“九章”的问世是我国在量子科技领域实现的又一飞跃，它的应用领域非常广泛。

首先是在计算机、IT和数学领域，如实现“量子计算优越性”，在某个特定问题上的计算能力远超现有最强的传统计算机。此外，它还可以通过量子计算机建立量子通信网络和量子互联网等。

其次，在实用性上，量子计算机有广阔的空间和范围，如密码破译、大数据优化、材料设计等，都可以获得量子计算机的支持，从而解决重大的国计民生问题，并产生巨大的经济价值。正如有科学家预言，量子计算机会被广泛使用，甚至每个人都可以使用。

同时，量子计算机的发展，会为人工智能加持，从而减少AI应用方面的错误，并创造出允许早期诊断问题的智能系统。

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值得一提的是，它还与药物研发息息相关。如果运用量子计算机，只要其计算速度快过经典计算机100~1000倍，就有可能让筛选药物前期分子的效率提高到90%以上，费用也更为减少。不过，能否获得真正有效的药物分子，还要看后期的生物实验。

人类已经进入量子计算时代？

对于量子计算机的研究，该领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：第一阶段是发展具备50至100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中量子计算优越性的里程碑；第二阶段是研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题；第三阶段是大幅度提高可集成的量子比特数目至百万量级，实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

潘建伟团队透露，尽管“九章”的算力快得惊人，但它只是在量子计算第一阶段树起了一座里程碑，未来的路还很长。

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在人们对算力需求指数级增长的时代，量子计算机已然成为世界前沿的兵家必争之地。最近美国公布了量子计算领域的最新计划，英国、欧盟、日本等国家也早有相应规划。眼下，无论是谷歌的“悬铃木”处理“随机线路取样”，还是“九章”求解“高斯玻色取样”，都只能用来解决某一个特定问题。潘建伟解释，这是因为目前可用来搭建量子计算机的材料有限，只能“就食材做菜”，未来量子计算机的突破，更有可能依赖于新材料在量子计算硬件上的创新。“这不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争。”潘建伟说。

潘建伟透露，在“九章”量子计算原型机的基础上，他们将通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术攻关，力争尽早研制出可编程的通用量子计算原型机。“希望能够通过15年到20年的努力，研制出通用的量子计算机，用以解决一些应用非常广泛的问题，比如密码分析、气象预报、药物设计等等，同时也可以用于进一步探索物理学化学生物学领域的一些复杂问题。”

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