“祖沖之二號”和“九章二號”來了，我國也因此成為目前世界上唯一在兩種物理體系都達(dá)到“量子計算優(yōu)越性”（quantum supremacy）里程碑的國家！

　　10月25日，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院科研團(tuán)隊(duì)在國際知名物理學(xué)期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，同日發(fā)表了兩篇量子計算方面的論文，論文介紹了團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)電路和光量子兩種系統(tǒng)的量子計算方面取得的重要進(jìn)展。

　　其中“祖沖之二號”實(shí)現(xiàn)了對“量子隨機(jī)線路取樣”任務(wù)的快速求解，在求解該問題上比現(xiàn)有最快的超級計算機(jī)快出一千萬倍。“九章二號”在處理玻色子取樣（boson sampling）問題上，速度比超級計算機(jī)更是快出了億億億倍，同時還擁有了更強(qiáng)的硬件編程能力。

　　“祖沖之2.0”與“九章2.0”并不只是把1簡單換成了2，對于“祖沖之二號”而言，量子優(yōu)越性的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著量子計算踏入了發(fā)展的第二階段，相關(guān)架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)通用量子計算奠定了基礎(chǔ)。

　　“九章二號”的“億億億倍”更是刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平。著名量子物理學(xué)家、加拿大Calgary大學(xué)教授Barry Sanders同時受邀在Physics網(wǎng)站上謄寫長篇評述文章，稱贊該工作是“令人激動的實(shí)驗(yàn)杰作”（dramatic tour de force。。。。。），“令人印象深刻的最前沿的進(jìn)步”（an impressive advance over the state-of-the-art）。

　　Barry Sanders的評述丨參考文獻(xiàn)[1]

　　什么是量子計算機(jī)？量子計算機(jī)為什么厲害？量子優(yōu)越性又是什么？AI準(zhǔn)備了一份友好的簡易說明書，你能在這里找到看得懂的答案。

　　量子計算機(jī)是計算機(jī)嗎？

　　是，但和我們現(xiàn)在所理解的“電腦”差別很大——兩者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關(guān)進(jìn)行計算，而量子計算機(jī)則是以微觀物理系統(tǒng)的量子態(tài)作為計算形式。

　　我們?nèi)粘Ｓ玫碾娔X，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會轉(zhuǎn)換成 1 和 0（在電路中則表達(dá)為“開”和“關(guān)”），再進(jìn)行傳輸、運(yùn)算與存儲。正是因?yàn)檫@種 0 和 1 的“計算”過程，電腦才被稱為“數(shù)字計算機(jī)”。

　　世界上第一臺電子數(shù)字計算設(shè)備：阿塔納索夫-貝瑞計算機(jī) | Wikimedia Commons

　　量子計算機(jī)則以量子力學(xué)系統(tǒng)所描述的狀態(tài)作為計算形式。目前的量子計算機(jī)使用的是如原子、離子、光子等物理系統(tǒng)，不同類型的量子計算機(jī)使用的是不同的粒子或者微觀系統(tǒng)。比如“祖沖之號”使用的是超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)系統(tǒng)，而“九章號”使用的是光量子系統(tǒng)。

　　為什么量子計算機(jī)可以“超快”？

　　傳統(tǒng)的數(shù)字電路只有 0 或 1 兩種選擇，量子計算機(jī)使用的粒子則能夠同時處于多種狀態(tài)。以光子為例，光除了亮與滅，其本身有著不同的偏振態(tài)，這種偏振態(tài)可以表示除了 0 與 1 之外的多組信息，量子計算機(jī)因而能夠同時承載更多內(nèi)容。普通的計算機(jī)單元一次只能處理一個數(shù)據(jù)單元，稱之為 1 個比特；量子計算機(jī)則可以一次處理 1 個“量子比特”，這不僅是0和1的狀態(tài)，而是一種疊加態(tài)，可以簡單認(rèn)為這是包含了多個數(shù)據(jù)，從而使處理速度大大提升。

　　自然光在各個方向上振動（如2），通過“偏振片”（如3）的過濾后，僅留下特定方向振動的“偏振光”（如4）| Wikimedia Commons

　　超級計算機(jī)也以處理速度快而著稱，但它與量子計算機(jī)不一樣。超級計算機(jī)本質(zhì)上還是以傳統(tǒng)計算機(jī)二進(jìn)制（0 與 1）為基礎(chǔ)的，運(yùn)算速度依然受限于電路的性能，而量子計算機(jī)完全屬于另一個體系。

　　量子計算機(jī)擅長解決什么問題？

　　正如上面所說的，量子計算機(jī)最大的特點(diǎn)就是計算速度快，太快了。舉個例子，小學(xué)的時候都學(xué)過質(zhì)因數(shù)分解，例如 6 可以分解為 2 和 3 兩個質(zhì)數(shù)；但如果數(shù)字很大，質(zhì)因數(shù)分解就是一個很難的數(shù)學(xué)問題。1994 年，為了分解一個 129 位的大數(shù)，科學(xué)家同時動用了 1600 臺高端計算機(jī)，花了 8 個月的時間才分解成功；但量子計算機(jī)理論上只需 1 秒鐘就可以破解。

　　大數(shù)質(zhì)因數(shù)分解是許多安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基于此的加密算法——例如互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最廣泛的 RSA 加密算法，則可能會因?yàn)?/font>量子計算機(jī)的研制成功而被量子計算Shor算法攻破。

　　量子計算機(jī)需要安裝系統(tǒng)嗎？

　　量子計算機(jī)本身就是一套“系統(tǒng)”，獨(dú)立的光學(xué)組件提供了硬件，復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)則決定了它的“算法”。例如，以光子作為量子比特的量子計算機(jī)，需要能夠產(chǎn)生光子的單光子源，能夠改變光子狀態(tài)、完成“算法”的特定光路結(jié)構(gòu)，還需要單光子探測器對光子的最終狀態(tài)進(jìn)行觀測。

　　不過，對于量子計算機(jī)的控制，仍然需要通過電腦進(jìn)行信息的輸入和輸出。就像下圖這樣，工作人員在電腦上輸入控制指令等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在量子計算機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和運(yùn)算，最后得到的結(jié)果則會傳輸回工作人員的普通電腦上。

　　量子計算機(jī)的實(shí)際操作過程 | 參考文獻(xiàn)[8]

　　什么是量子計算優(yōu)越性？

　　量子計算機(jī)的理想狀態(tài)則是通用量子計算機(jī)。這樣的量子計算機(jī)將被用來解決任何可解的問題，在很多領(lǐng)域會得到廣泛應(yīng)用。然而，目前量子比特數(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，糾錯容錯技術(shù)也不夠完善，大大限制了計算能力。所以在這之前，研究者們都在努力達(dá)到第一步——“量子計算優(yōu)越性”。

　　簡單來說，只要在某些特定的問題上，采用無需糾錯的專用量子計算機(jī)（也稱量子模擬機(jī)），計算（模擬）該問題的能力超越了任何經(jīng)典計算機(jī)，這就叫做“量子計算優(yōu)越性”（quantum supremacy）。這在之前也被稱為“量子霸權(quán)”，雖然聽起來很有震懾力，但這其實(shí)只是量子計算機(jī)發(fā)展的一個階段，還沒有達(dá)到最理想的狀態(tài)。

　　目前，世界上的量子計算機(jī)研究大多是針對用某個特定的問題。例如“九章號”就是專門用以解決玻色子采樣問題，這是用來測試量子計算優(yōu)越性的熱門問題。

　　通用量子計算機(jī)是未來的研究方向 | 墨子沙龍

　　量子計算機(jī)最主要的優(yōu)勢，是能夠用物理系統(tǒng)上根本的并行能力，可以同時對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。“祖沖之”與“九章”在不同體系都實(shí)現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”，在量子計算領(lǐng)域邁出了重要的一步。

　　中國科學(xué)院院士潘建偉在接受央視采訪時提到：下一步我們希望能夠通過4到5年的努力實(shí)現(xiàn)量子糾錯，在使用量子糾錯的基礎(chǔ)之上，我們就可以來探索用一些專用的量子計算機(jī)或者（稱作）量子模擬機(jī)來解決一些具有重大應(yīng)用價值的科學(xué)問題。

　　具體報道請戳下圖??

　　九章二號144模式干涉儀（部分）實(shí)驗(yàn)照片丨攝影：馬瀟漢、楊建瑞、李豐、鄧宇皓

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]Quantum Leap for Quantum Primacy.https：//physics.aps.org/articles/v14/147

　　[2]Y。 Wu et al。， “Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor，” Phys。 Rev。 Lett。 127， 180501 （2021）。

　　[3]H。-S。 Zhong et al。， “Phase-programmable Gaussian boson sampling using stimulated squeezed light，” Phys。 Rev。 Lett。 127， 180502 （2021）。

　　[4]重磅！我國量子計算優(yōu)越性研究取得重要進(jìn)展。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)官方微信

　　[5]中國科大成功研制113個光子的“九章二號”量子計算原型機(jī)。http://news.ustc.edu.cn/info/1055/77185.htm

　　[6] 陳明城。 實(shí)驗(yàn)光學(xué)量子計算[D]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2017。

　　[7] 方糧，劉汝霖，湯振森，隋兵才，池雅慶。量子計算機(jī)：量子算法與物理實(shí)現(xiàn)[J]。計算機(jī)工程與科學(xué)，2012，34（08）：32-43。

　　[8] 郭光燦，陳以鵬，王琴。量子計算機(jī)研究進(jìn)展[J/OL]。南京郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020（05）：1-8[2020-12-04]。https：//doi.org/10.14132/j.cnki.1673-5439.2020.05.002。

　　[9] 公眾號：墨子沙龍， 經(jīng)典和量子的算力之爭： 中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑

　　[10] 魏世杰，王濤，阮東，龍桂魯。量子算法的一些進(jìn)展[J]。中國科學(xué)：信息科學(xué)，2017，47（10）：1277-1299。

　　作者：Owl，小圓

　　審稿專家：九維空間

　　本文轉(zhuǎn)自果殼