2020年，量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問世，這一突破使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家；

2021年，“九章二號(hào)”和“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)成功研制，使我國(guó)成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線都實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家；

2023年，“九章三號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍，確立新的算力里程碑……

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

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

“九章”實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”

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

它在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面，相比傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。因而，研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。

2020年12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建76個(gè)光子的“九章”量子計(jì)算原型機(jī)?！熬耪隆睂?duì)經(jīng)典數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣（高斯玻色取樣是一個(gè)計(jì)算概率分布的算法，可用于編碼和求解多種問題）的計(jì)算速度，比當(dāng)時(shí)世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬億倍。這一突破使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家?！叭∶耪隆菫榱思o(jì)念中國(guó)古代著名數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。”潘建偉說。

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

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

2023年10月11日，他們宣布成功構(gòu)建255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”。這項(xiàng)成果再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)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(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍，在研制量子計(jì)算機(jī)之路上邁出重要一步。

“九章三號(hào)”實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 圖片來源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

“九章”系列實(shí)現(xiàn)了一個(gè)重要的里程碑叫作“量子優(yōu)越性”，是指當(dāng)新生的量子計(jì)算原型機(jī)在某個(gè)問題上的計(jì)算能力超過了最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)也在通過優(yōu)化算法與量子計(jì)算機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。

此前，美國(guó)物理學(xué)家?guī)ьI(lǐng)的谷歌團(tuán)隊(duì)宣布研制出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，在全球首次實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。相比“懸鈴木”，“九章”有三大優(yōu)勢(shì)：一是速度更快。雖然算的不是同一個(gè)數(shù)學(xué)問題，但與最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)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(qiáng)。三是彌補(bǔ)了技術(shù)漏洞?！按騻€(gè)比方，谷歌的機(jī)器短跑可以跑贏超級(jí)計(jì)算機(jī)，長(zhǎng)跑跑不贏；我們的機(jī)器短跑和長(zhǎng)跑都能跑贏?！迸私▊F(tuán)隊(duì)的比喻生動(dòng)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(chǎng)景

對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究，國(guó)際主流觀點(diǎn)認(rèn)為有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：

第一階段，研制50個(gè)到100個(gè)量子比特的專用量子計(jì)算機(jī)，實(shí)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(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，解決一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無法勝任、具有重大實(shí)用價(jià)值的問題，比如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、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(cuò)能力，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

那“九章三號(hào)”處于哪個(gè)階段？

根據(jù)公開發(fā)表的最優(yōu)算法，“九章三號(hào)”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(hào)”提升一百萬倍?！熬耪氯?hào)”1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當(dāng)前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）約需200億年。

“九章三號(hào)”的計(jì)算復(fù)雜度需要花費(fèi)超級(jí)計(jì)算機(jī)的時(shí)間 圖片來源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)表示，量子計(jì)算的運(yùn)算邏輯和傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)不同，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基于二進(jìn)制進(jìn)行邏輯運(yùn)算，每個(gè)晶體管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，通過開關(guān)的狀態(tài)表示0和1。每次運(yùn)算只能處理一位信息，信息量越大，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。而量子計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算。“好比走迷宮，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)走迷宮，就好比同時(shí)有10個(gè)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。”陸朝陽(yáng)說。

量子計(jì)算的另一個(gè)特性是隨著可操縱的量子數(shù)量增多，運(yùn)算能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)?！熬耪露?hào)”可操縱113個(gè)光子，“九章三號(hào)”可操縱255個(gè)光子，但運(yùn)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(rèn)為，九章三號(hào)正在從第一階段向第二階段跨越?！标懗?yáng)說，他們?cè)诓粩囔柟痰谝浑A段實(shí)現(xiàn)的“量子優(yōu)越性”基礎(chǔ)上，不斷探索第二階段的實(shí)用性開發(fā)，包括用來解決圖論、盲計(jì)算、量子精密測(cè)量等方面的一些問題，尋找在現(xiàn)實(shí)中有潛在應(yīng)用價(jià)值的場(chǎng)景。

量子計(jì)算機(jī) 距離實(shí)用還有多遠(yuǎn)？

“量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)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(bào)、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等領(lǐng)域，提供比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的算力支持。但要實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用性的通用量子計(jì)算機(jī)，還有很長(zhǎng)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(jì)算研究，不斷取得重大突破?！熬耪氯?hào)”在理論上首次開發(fā)了包含光子全同性的新理論模型，實(shí)現(xiàn)更精確的理論與實(shí)驗(yàn)吻合度，同時(shí)發(fā)展了完備的貝葉斯驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)函數(shù)驗(yàn)證。即便是這樣，“九章三號(hào)”距離通用量子計(jì)算機(jī)還很遠(yuǎn)?！巴ㄓ昧孔佑?jì)算機(jī)需要操縱上千萬的量子比特，同時(shí)也要具備糾錯(cuò)能力，這些都是目前九章系列量子計(jì)算原型機(jī)需要迭代實(shí)現(xiàn)的，量子技術(shù)的實(shí)用化是一場(chǎng)接力長(zhǎng)跑。”陸朝陽(yáng)說。

潘建偉團(tuán)隊(duì)表示，期待“九章三號(hào)”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(shí)現(xiàn)通用型量子計(jì)算機(jī)。

參考資料：

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

2.《瞭望》.“九章三號(hào)”為什么能這么快？

3.“人民日?qǐng)?bào)評(píng)論”公眾號(hào).“九章”量子計(jì)算機(jī)的里程碑意義|新知

4.“光明日?qǐng)?bào)”公眾號(hào).“九章”到底有多神？

5.“新華社”公眾號(hào).百萬分之一秒！它做到了

6.“中國(guó)工程學(xué)”公眾號(hào).量子計(jì)算機(jī)再次證明自身優(yōu)越性丨Engineering

7.“新華視點(diǎn)”公眾號(hào).里程碑式突破！——潘建偉團(tuán)隊(duì)解說“九章”量子計(jì)算

制作：北京市科協(xié)融媒體中心