量子计算优越性，看中国！

量子计算优越性，看中国！ 字体： 小 中 大 分享到： 量子计算优越性，看中国！ 2021-11-04 09:08:16 来源：光明日报

“九章二号”144模干涉仪实验照片(部分)中国科学技术大学“九章”量子计算原型模型供图。新华社发“祖冲之二”量子处理器。中国科学技术大学供图

日前，中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子计算机研发团队带来了一颗“双黄蛋”——祖冲之二号和九章二号，同时发表在国际学术期刊《物理评论快报》上。“祖冲之二”搭建了66位可编程超导量子计算原型，实现了“量子随机线采样”任务的快速求解。“第九章二号”再次刷新了光量子操纵的国际技术水平，处理具体问题的速度比经典超级计算机快数十亿倍，进一步为量子计算的加速提供了实验证据。著名量子物理学家、加拿大卡尔加里大学教授巴里·桑德斯(Barry Sanders)写了一篇长篇评论文章，称这项工作是“令人兴奋的实验杰作”，“令人印象深刻的前沿进展”。中国是世界上唯一在超导量子和光量子物理系统上达到“量子计算优势”里程碑的国家。

量子计算的前世

物理学者认为，1981年5月是一个重要的时刻，标志着量子计算的开始。

加州理工学院物理学教授、1965年诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼(richard feynman)在当年的一次会议演讲中，提出了两个前瞻性的问题:经典计算机能否有效模拟模拟子系统？抛弃经典图灵机模型，使用具有奇特性质的量子材料，能否构建模拟子系统计算机？

费曼的观点影响了未来量子计算的发展。随着研究的深入，人们越来越意识到量子计算的重要性——这是一种全新的计算模式，是对计算和信息本质的深入探索和发现。

“量子计算机是利用量子力学原理制造的计算机，目前还处于非常初级的阶段。相应地，我们正在使用的现有计算机被称为经典计算机。”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兰峰告诉记者，“计算机是通过开启和关闭电路进行计算的，而量子计算机是以量子态为计算形式的。”

在我们日常的电脑中，无论是屏幕上的图像，还是输入的汉字，这些信息都会在硬件电路中转换成0和1。每一位代表0或1。这些比特就是信息，然后进行传输、运算、存储。正是因为这种0和1的“计算”过程，计算机才被称为“计算机”。

量子计算机的原理与传统计算机完全不同，其理论基础是量子力学中的量子叠加原理显示并行计算的能力。“量子力学允许一个物体同时处于多个状态。那么，在量子计算中，0和1同时存在意味着可以同时完成很多任务。它的关键取决于观测方法，因此它具有超越经典计算机的计算能力。”中国科学技术大学教授陆朝阳表示，每个量子比特不仅可以代表0或1，还可以代表0和1乘以一个系数然后叠加。系数不同，叠加形式就有很多种可能。

“为了理解量子计算机的能力，我们可以用‘迷宫’作为例子来解释。”陆朝阳教授说，传统的计算机迷宫一次只能选择一种方式尝试，失败了就只能重新开始。

“但量子计算机的迷宫就像让10个人同时尝试不同的路径，瞬间尝试所有的可能性，很快就找到了正确的路径。”陆朝阳说，因此，量子计算机彻底突破了经典计算机的局限，潜力无限。

“例如，开发一种新药往往需要几年时间，大量时间花在计算化学结构上。如果用量子计算机开发新药，计算效率可以大大提高。也许人类可以尽快研制出癌症等疑难杂症的‘解药’。”中国科学院量子信息重点实验室副主任、中国科学技术大学教授郭说，人类使用的最先进的密码系统，如银行、保险公司、政府机关等，都是用极端素数加密的——用传统计算机求解极端素数的因子非常困难，需要几十年甚至上百年，而用量子计算机破解这样的密码只需要一眨眼的时间。

但是量子计算机和经典计算机不是替代关系。袁誉峰介绍，量子计算机只是在某些问题上超越了经典计算机。“有些问题，经典计算机已经算得很快了，比如加减乘除，量子计算机比它们没有优势。”目前物理学界的普遍共识是，量子计算机不能完全替代经典计算机，只能在一些特定困难的问题上替代经典计算机实现量子加速。“量子计算机永远不会完全取代经典计算机，它们会在合适的场景下单独使用。”

中国的成就结束了“量子优势”的争论

在衡量量子计算机的计算能力时，我们会反复提到一个术语:量子优势，又称量子霸权。“量子计算机在某个问题上超越了现有最强的经典计算机，被称为‘量子优势’或‘量子霸权’。”袁兰峰解释道，“其实‘量子霸权’是一个科学名词，与国际政治无关。”

根据科学家的计算，一旦可以操纵53个量子，量子计算机的计算能力将超过传统的超级计算机。目前人类最强的超级计算机是日本的“福悦”，由400台计算机组成，每台重两吨，一秒钟可以做到1.051北京(北京是比Mega更大的单位，1北京= 1亿&次；1亿)次的计算。量子计算机只需操纵53个量子比特就能超越“福月”。

由此可见，只要人类能够操纵足够多的量子比特，量子计算机一秒钟的计算能力将彻底碾压人类历史上所有经典计算机的计算能力总和。

然而，这只是一个理论计算。长期以来，量子计算机能否实现量子优势是一个问号——量子态是脆弱而敏感的，容易受到环境噪声的影响。在实际的物理系统中构建一台具有足够多量子比特和高运算保真度的量子计算机是一个严峻的挑战。

2019年10月，经过多年的持续重金投入，谷歌宣布实现“量子优势”——他们设计并建造了一个拥有53个可用量子位的可编程超导量子处理器，命名为“悬铃木”。在随机线抽样的具体任务上，“悬铃木”已经展示了超越世界上最先进的超级计算机的能力。

在率先进行量子信息传输的同时，中国科学家也加紧了量子计算机的研发。

2020年12月，由潘建伟、陆朝阳等人组成的研究团队设计并搭建了76光子量子计算原型“九章”，实现了高斯玻色采样任务的快速求解。研究表明，《九章》相当于比《悬铃木》快100亿倍。这一成果使中国成为第二个实现“量子计算优越性”的国家。

2021年5月，潘建伟院士团队成功研制出62位可编程超导量子计算原型“祖冲之”，实现了可编程二维量子行走。

今天《九章》和《祖冲之》都升级了。

与第九章相比，第九章-第二章在量子优势上有了很大的提升:对于高斯玻色采样问题，超级计算机福跃一亿年才能在一分钟内解决第九章完成的任务；“九章二号”一毫秒就能解决问题，“福月”需要30万亿年！最重要的是，“第九章第二号”还具有一定的可编程能力。

“祖冲之二”通过在其上操纵56个量子比特，实现了量子计算在随机线采样任务中的优越性，完成的任务难度比“悬铃木”高2 ~ 3个数量级。

最后，关于量子计算机能否实现“量子霸权”没有争议——有专家认为:“两台实验量子计算机解决了迄今为止最复杂的问题，意味着关于量子计算能否实现优越性的争论结束了。”

“‘量子计算的优越性’不是一朝一夕的事情，它是量子计算和经典计算的持续竞争。”郭解释说，经典计算理论家将继续努力设计更好的算法来挑战量子计算机，量子物理学家将继续升级和设计新的器件来实现更高的量子优越性，这将使经典计算望尘莫及。“经典计算和量子计算将相互促进，共同加深我们对计算和信息本质的理解。”

两条技术路线均领先，中国量子计算的又一次起步。

凭借“九章”和“祖冲之”，中科大团队在多个不同的物理系统中实现了“量子优势”。“九章二号”和“祖冲之二号”的问世，成为我国量子计算机优越性的又一里程碑。

事实上，早在今年6月，《祖冲之二》、《九章二号》的研究论文就提前在预印平台上发表，引起了国内外学术界、媒体和普通民众的广泛关注和讨论。

上述论文发表两周后，《科学美国人》杂志发表了一篇题为《新研究表明中国引领全球量子竞争》的文章。文章指出:“2017年，当一组中国科学家从‘墨子号’卫星发射纠缠光子进行世界上首次量子安全视频通话时，专家认为中国在量子通信方面已经处于世界领先地位。新研究(《祖冲之二》、《九章二》等)。)表明中国的领先地位已经延伸到量子计算领域。”

“九章”的出色表现，奠定了我国在国际量子计算研究第一方阵的地位，为实现未来能够解决具有重大实用价值问题的大规模量子模拟器奠定了技术基础。

今天，“第九章二号”将光子数从原来的最大76个提升到最大113个，导致对经典计算机的优势从100万亿次提升到100万亿次。

“祖冲之二”对经典电脑的优势是1000万倍。简单来说，“第九章二号”进一步扩大了对经典计算机的优势，而“祖冲之二号”则实现了这一技术路线的世界新纪录。

因此，我们可以宣布，中国是世界上唯一一个在两条技术路线上都取得量子优势的国家。从这个意义上说，中国的量子计算研究处于世界领先地位。

这一切都是计划好的。

2019年9月15日，在安徽合肥召开的新兴量子技术国际会议上形成了《量子信息与量子技术白皮书》(合肥宣言)。宣言中，国际专家对量子计算的三个发展阶段达成共识:第一阶段是实现量子优势，即针对特定问题的计算能力超过经典超级计算机；第二阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三阶段是实现可编程的通用量子计算机。

很明显，《九章》《祖冲之》都是在争取更高的舞台。例如，《第九章》将继续探索量子机器学习、量子化学等实际问题的应用，而“祖冲之2.0”处理器是完全兼容量子纠错的可扩展芯片架构，将继续走向量子纠错和复杂量子算法的实现。

“中国在光学和超导技术路线上都取得了量子计算的优势，超过了美国。但这远不是结束，而是开始。”袁玉峰说。

(记者常和)

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