2020年，量子計算原型機“九章”問世，這一突破使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家；

2021年，“九章二號”和“祖沖之二號”量子計算原型機成功研制，使我國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線都實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家；

2023年，“九章三號”量子計算原型機比超級計算機快一億億倍，確立新的算力里程碑……

光量子干涉實物圖圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)攝影：馬瀟漢、梁競、鄧宇皓

在驚嘆這一系列重大科研成果時，今天，我們一起揭開“九章”神秘的面紗，走近量子計算機。

“九章”實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”

量子計算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律，調(diào)控量子信息單元進行計算的新型計算模式。1981年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼首先提出了量子計算機構(gòu)想。

它在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面，相比傳統(tǒng)的電子計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。因而，研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。

2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建76個光子的“九章”量子計算原型機?！熬耪隆睂?jīng)典數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣（高斯玻色取樣是一個計算概率分布的算法，可用于編碼和求解多種問題）的計算速度，比當時世界最快的超級計算機“富岳”快一百萬億倍。這一突破使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家?！叭∶耪隆?，是為了紀念中國古代著名數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》?！迸私▊フf。

“九章”量子計算原型機光路系統(tǒng)原理圖 圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

2021年，他們進一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機，使我國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”的國家。

2023年10月11日，他們宣布成功構(gòu)建255個光子的量子計算原型機“九章三號”。這項成果再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀錄，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級計算機快一億億倍，在研制量子計算機之路上邁出重要一步。

“九章三號”實驗裝置示意圖 圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

“九章”系列實現(xiàn)了一個重要的里程碑叫作“量子優(yōu)越性”，是指當新生的量子計算原型機在某個問題上的計算能力超過了最強的經(jīng)典計算機，就證明其未來有多方超越的可能，這樣的優(yōu)越性并非一成不變，經(jīng)典計算機也在通過優(yōu)化算法與量子計算機競爭。

此前，美國物理學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的谷歌團隊宣布研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，在全球首次實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。相比“懸鈴木”，“九章”有三大優(yōu)勢：一是速度更快。雖然算的不是同一個數(shù)學(xué)問題，但與最快的超級計算機等效比較，“九章”比“懸鈴木”快100億倍。二是環(huán)境適應(yīng)性更強。三是彌補了技術(shù)漏洞?！按騻€比方，谷歌的機器短跑可以跑贏超級計算機，長跑跑不贏；我們的機器短跑和長跑都能跑贏?！迸私▊F隊的比喻生動地揭示了“九章”的領(lǐng)先之處。

在“量子優(yōu)越性”基礎(chǔ)上 不斷探索應(yīng)用場景

對于量子計算機的研究，國際主流觀點認為有三個指標性的發(fā)展階段：

第一階段，研制50個到100個量子比特的專用量子計算機，實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”里程碑式突破。

第二階段，研制可操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題，比如量子化學(xué)、新材料設(shè)計、優(yōu)化算法等。

第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算原型機。

那“九章三號”處于哪個階段？

根據(jù)公開發(fā)表的最優(yōu)算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍?！熬耪氯枴?微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當前最快的超級計算機“前沿”（Frontier）約需200億年。

“九章三號”的計算復(fù)雜度需要花費超級計算機的時間 圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽表示，量子計算的運算邏輯和傳統(tǒng)電子計算機不同，傳統(tǒng)計算機基于二進制進行邏輯運算，每個晶體管相當于一個開關(guān)，通過開關(guān)的狀態(tài)表示0和1。每次運算只能處理一位信息，信息量越大，計算時間越長。而量子計算機采用量子比特，它利用量子力學(xué)特性比如疊加態(tài)和糾纏態(tài)，從而實現(xiàn)并行運算?！昂帽茸呙詫m，傳統(tǒng)計算機每次只能選擇一條路去嘗試，如果失敗了，就只能從頭再來。但是量子計算機走迷宮，就好比同時有10個人一起嘗試不同的路，瞬間就可以把所有可能都嘗試一遍，很快就能找到那條正確的路?！标懗栒f。

量子計算的另一個特性是隨著可操縱的量子數(shù)量增多，運算能力呈指數(shù)級增長?！熬耪露枴笨刹倏v113個光子，“九章三號”可操縱255個光子，但運算能力的提升并不是255除以113得到的2.26倍，而是100萬倍。

“我認為，九章三號正在從第一階段向第二階段跨越?！标懗栒f，他們在不斷鞏固第一階段實現(xiàn)的“量子優(yōu)越性”基礎(chǔ)上，不斷探索第二階段的實用性開發(fā)，包括用來解決圖論、盲計算、量子精密測量等方面的一些問題，尋找在現(xiàn)實中有潛在應(yīng)用價值的場景。

量子計算機 距離實用還有多遠？

“量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預(yù)報、材料設(shè)計、藥物分析等領(lǐng)域，提供比傳統(tǒng)計算機更強的算力支持。但要實現(xiàn)具有實用性的通用量子計算機，還有很長的路要走。”潘建偉院士介紹。

近年來，中外科學(xué)家持續(xù)攻關(guān)量子計算研究，不斷取得重大突破?！熬耪氯枴痹诶碚撋鲜状伍_發(fā)了包含光子全同性的新理論模型，實現(xiàn)更精確的理論與實驗吻合度，同時發(fā)展了完備的貝葉斯驗證和關(guān)聯(lián)函數(shù)驗證。即便是這樣，“九章三號”距離通用量子計算機還很遠。“通用量子計算機需要操縱上千萬的量子比特，同時也要具備糾錯能力，這些都是目前九章系列量子計算原型機需要迭代實現(xiàn)的，量子技術(shù)的實用化是一場接力長跑?！标懗栒f。

潘建偉團隊表示，期待“九章三號”的突破能激發(fā)科學(xué)界更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究，解決各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，加快實現(xiàn)通用型量子計算機。

參考資料：

1.“新華每日電訊”公眾號.“快一億億倍”！中國科學(xué)家成功研制——

2.《瞭望》.“九章三號”為什么能這么快？

3.“人民日報評論”公眾號.“九章”量子計算機的里程碑意義|新知

4.“光明日報”公眾號.“九章”到底有多神？

5.“新華社”公眾號.百萬分之一秒！它做到了

6.“中國工程學(xué)”公眾號.量子計算機再次證明自身優(yōu)越性丨Engineering

7.“新華視點”公眾號.里程碑式突破！——潘建偉團隊解說“九章”量子計算

制作：北京市科協(xié)融媒體中心