◇研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一

◇好比走迷宮，傳統(tǒng)計算機每次只能選擇一條路去嘗試，量子計算機可以同時嘗試多條不同的路，能更快找到那條正確的路

◇“九章三號”正在從“實現(xiàn)‘量子優(yōu)越性’里程碑式突破”的階段向“解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題”的階段跨越

◇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

宋博 圖/《瞭望》新聞周刊

10月11日，中國科學(xué)家宣布成功構(gòu)建255個光子的“九章三號”量子計算原型機，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，確立新的算力里程碑。

“九章三號”為什么能這么快？研制量子計算機進展到哪一步了？量子計算機距離實用還有多遠？《瞭望》新聞周刊記者獨家專訪了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)九章團隊。

比最快超算快一億億倍

為何能這么快

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。

最新發(fā)布的“九章三號”有多快？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。“九章三號”1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當前全球最快的超級計算機“前沿”（Frontier）約需200億年。

為何能這么快？

“九章三號”項目牽頭人陸朝陽教授告訴《瞭望》新聞周刊記者，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。

“好比走迷宮，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。

“九章三號”從結(jié)構(gòu)上分為受激量子光源、超低損耗的量子光路、時空解復(fù)用的光纖環(huán)以及超導(dǎo)納米線單光子探測器四大部分，較“九章二號”最大的升級在于“時空解復(fù)用的光纖環(huán)”技術(shù)。

“‘九章二號’無法解析光子具體數(shù)量，光纖環(huán)的應(yīng)用能夠大幅度提高光子的操縱水平?！标懗栒f，與此同時，受激量子光源也是目前世界上損耗率最低、模式數(shù)最多的，這些創(chuàng)新提升了光子的數(shù)量和品質(zhì)，以及計算的復(fù)雜度。

“九章三號”處于量子計算機

研制的什么階段

國際主流觀點認為，量子計算機的發(fā)展將有三個階段：

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。

2020年，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)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，首次在國際上實現(xiàn)光學(xué)體系的“量子計算優(yōu)越性”。

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)路線都達到了“量子計算優(yōu)越性”的國家。

那么，最新發(fā)布的“九章三號”處于哪個階段？

“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

潘建偉介紹，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。

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。此次發(fā)布的“九章三號”，潘建偉團隊在理論上首次開發(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。

陸朝陽告訴《瞭望》新聞周刊記者，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?！?/p>

國際主流觀點認為，要實現(xiàn)通用量子計算機，至少還需要5年到10年乃至更長時間。

當前，國際量子計算研究呈加速態(tài)勢，量子計算成為全球各國科研和戰(zhàn)略布局的重點，包括IBM、谷歌等在內(nèi)的科技巨頭不斷加碼，各國政府和行業(yè)也正加速對量子計算的研發(fā)投資和政策扶持。

九章團隊表示，期待這次突破能激發(fā)科學(xué)界更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究，逐步解決各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，加快實現(xiàn)通用型量子計算機推動經(jīng)濟社會發(fā)展?！拔覀兿Ｍ苡懈鄡?yōu)秀的年輕人加入進來，更多其他學(xué)科的學(xué)者加入進來，形成學(xué)科交叉，共同推動量子計算事業(yè)加速發(fā)展?！?/p>