实现“量子霸权”：了不起的“九章”计算机

·极客观察12月7日 近日，我国在量子计算领域取得了里程碑式的突破。中国科学技术大学宣称该校学者潘建伟带领的团队成功构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。这一成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。

“九章”的诞生引发了多方关注与热议，其先进程度远超大家想象。据悉，该计算机一分钟完成的任务，超级计算机需要约一亿年才能完成。而与谷歌去年发布的量子计算原型机“悬铃木”相比，“九章”的计算速度快了一百亿倍。“九章”的出现使我国成功获得了“量子霸权”。

“九章”为何这么快？

“九章”的计算之快源于其计算形式。量子计算机与我们平时接触到的普通计算机的计算形式不同。普通计算机通过电路的开与关来进行计算，单位信息比特只有1和0两种形式，一些更复杂的运算操作则是通过多位信息的逻辑运算实现的。

而量子计算机使用粒子的状态作为计算形式，由于粒子能够同时处于多种状态，因此量子计算机的单个比特可以承载更多的信息。在“九章”中使用的量子载体为光子，光子除了亮和灭两种形态以外，还存在不同的偏振态，因此，一个光子能够表达的不仅是0和1两种状态，含包括两者组合叠加的多样结果。粒子的使用使得量子计算机的运算速度能够突破电路性能的限制，得到了极大程度的提升。

利用量子天然具备的叠加性，量子计算机得以施展并行计算的能力。随着比特数的增加，信息的存储量和运行速度将以指数形式增长，这是普通计算机难以企及的。

不过，需要明确的是，“九章”目前还不算是真正的“量子计算机”，而是“量子计算原型机”。此前潘建伟院士曾表示，通用量子计算机的问世可能还需要15-30年的时间。目前“九章”还不能进行通用运算，只能作为计算“高斯玻色采样”的实验设备，辅助传统计算机进行运算。

据悉，“九章”初步将被应用于量子化学以及图论中组合数学的研究中去，后续可能被用于机器学习的研究。“九章”的实际应用还需要更多更有效的探索。

“九章”的构建之路

目前，研制量子计算机已成为世界科技前沿的最大挑战之一。潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平。早在2017年，该团队就聚焦于量子点光源，构建出了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算原型机。

在2019年，该团队又更进一步，在光子数和计算复杂度等关键指标上实验大幅度提升，逼近“量子计算优越性”。而这次，潘建伟团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，最终突破了光子效能的瓶颈，成功构建了“九章”。

在“九章”的构建之路上，该团队经历的困难远超想象，该设备对锁相精度的要求高达十的负九次方。团队中的陆朝阳曾这样描述他们遇到的难题，“我们需要50路光子同时通过20多米的光层，每一路都要保持25纳米的精度，这相当于你让50匹马一起跑过100公里，必须同时到达，每匹马的误差，不能超过一根头发丝。”这样的形容充分说明了“九章”成果的来之不易。

值得一提的是，此次“九章”的研发团队中有四位90后成员，期中年龄最小的一位成员1997年出生，这也让我们切实地看到了“后浪”的力量。在这些年轻的新力量的推动下，建设世界科技强国，未来可期。

实现“量子霸权”

“九章”的成功研发也意味着我国实现了“量子霸权”。所谓量子霸权，也称量子计算优越性，是指量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力。实现量子霸权是量子计算发展的重要里程碑，这确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。

量子计算机强大的并行运算能力，可以推动密码破译、材料设计、药物分析等具有重大使用价值难题的解决，加速科技进步。量子计算机的未来是人类科技前进的一个方向，而“九章”的出现给予了中国引领世界发展的希望。

上一个声称实现量子霸权的是来自美国的谷歌公司，他们于2019年研发了使用53个量子比特的量子计算机“悬铃木”。但与“悬铃木”相比，“九章”有很大的超越。

首先，通过与最快的超级计算机的等效比较，“九章”的计算速度要比“悬铃木”快一百亿倍。除此之外，“九章”有着更强的环境适应性。“悬铃木”对于运行环境有着很高的要求，需要在零下273.12摄氏度下运行，但“九章”只有探测部分需要低温环境，其他部分在室温环境下也可以运行。这意味着“九章”的使用更加便利，使用范围也更广。

还有重要的一点是，“九章”弥补了“悬铃木”的技术漏洞。“悬铃木”的运算速度与样本数量有着紧密的练习，“悬铃木”的运算速度只有在小样本的情况下才优于超级计算机。而“九章”的运算能力不依赖于样本数量，不管样本多大，都能保持了优越的运算速度。这也是为何“九章”的出现能在世界范围内引起如此大的轰动，许多外国科学家都对“九章”表示了肯定，并对发明团队表达了敬意。

不过潘建伟也表示，“量子霸权就是碾压一切”的观点是错误的。他认为，“量子优越性实验并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,但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。”

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