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“九章三号”成功构建！量子计算机有何实用价值？发展前景如何？

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发布时间：

2023-10-12 08:30

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11日，记者从中国科学技术大学获悉，该校中国科学院量子信息与量子科技创新研究院潘建伟、陆朝阳、刘乃乐等组成的研究团队，与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。

科研人员设计了时空解复用的光子探测新方法，构建了高保真度的准光子数可分辨探测器，提升了光子操纵水平和量子计算复杂度。根据公开正式发表的最优经典精确采样算法，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前最强的超级计算机“前沿”（Frontier）花费超过200亿年的时间。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。

“九章三号”实验装置示意图。（中国科学技术大学供图）

“九章”问世 确立我国在国际量子计算研究第一方阵地位

2020年12月，潘建伟、陆朝阳等学者组成的研究团队，与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功研制出76个光子100个模式的量子计算原型机——“九章”。它处理“高斯玻色取样”的速度，比目前最快的超级计算机快100万亿倍。也就是说，超级计算机需要一亿年完成的任务，“九章”只需一分钟。“九章”的问世，确立了我国在国际量子计算研究中第一方阵地位。

“九章二号”144模式干涉仪（部分）实验照片。中国科学技术大学供图 

2021年，潘建伟团队进行了一系列概念和技术创新，成功研制出“九章二号”。研究团队成员、中科大教授陆朝阳介绍：“主要有三大突破，首先显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率，将光源关键指标从63%提升到92%。其次，将多光子量子干涉线路从100维度增加到144维度，操纵的光子数从76个增加到113个。第三，新增了可编程功能。”

结果显示，“九章二号”的算力实现巨大提升。根据当时已发表的最优经典算法，“九章二号”求解高斯玻色取样问题的处理速度，比全球最快的超级计算机快亿亿亿倍，比“九章”快100亿倍。“九章二号”1毫秒可算出的问题，全球“最快超算”需30万亿年。

光量子干涉示意图。制图：文乐，罗弋涵 来源：中国科学技术大学

量子计算机有何实用价值？

有人会说，量子计算机只能解决特定问题，感觉用途不大。其实不然。

1943年，世界上第一台计算机诞生时，这个一吨重的大家伙，每秒5000次算力震惊了当时的人们。IBM总裁托马斯·沃森就预言，全世界有5台这样的计算机就够用了。然而，才过了几十年时间，人们手中一部智能手机的算力总和，已经超过了当年整个“阿波罗”登月计划的算力总和。

传统计算机是依靠芯片中硅晶体管的指数级增长，来实现算力增强的。然而，今天一枚晶体管的尺寸比病毒还小，已逼近物理极限。终有一天，晶体管电路原理将不再适用，计算速度将“碰到天花板”。

我们把当今全球所有计算机的算力加在一起，一年里都无法完成对“2的90次方”个数据的穷举搜索。一方面，是传统计算模式受到严重制约；另一方面，是随着社会发展，数据在呈指数级增长，对计算能力的需求也随之飞速增长。有些问题之所以无法解决，就是因为算力不够。比如，密码破解问题，传统计算机不是算不出，而是因为算的时间太长。分解一个300位大数，一台万亿次传统计算机需要算15万年，而一台万亿次量子计算机只需一秒钟。

此外，作为量子计算原型机的“九章”，其强大算力可初步用于量子化学以及一些数学难题的研究，甚至也可用于机器学习的一些研究，在解决传统难题上能做一些有效探索。

目前，“九章”还只是“单项冠军”，但它将在更多领域的探索中，体现出更多应用价值。“九章”的出色表现，为将来实现“可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机”奠定了技术基础。潘建伟、陆朝阳团队认为，未来研制出的通用量子计算机，能够解决很多广泛的问题。例如对气象预报、金融分析、材料设计、药物分析等，均具有实用价值。同时，也可用来探索物理学、生物学、化学领域的一些复杂问题。

量子计算未来发展前景如何？

量子计算机的计算能力随量子比特数目呈指数增长，因此量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。根据相干操纵量子比特的规模，国际学术界公认量子计算有如下发展阶段：

第一个阶段是实现“量子计算优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。美国谷歌公司在2019年率先实现超导线路体系的“量子计算优越性”。此前，我国则分别于2020年在光量子体系、2021年在超导线路体系实现了“量子计算优越性”。

第二个阶段是实现专用量子模拟机，即相干操纵数百个量子比特，应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题，指导材料设计、药物开发等。达到该阶段需要5至10年，是当前的主要研究任务。

第三个阶段是实现可编程通用量子计算机，即相干操纵至少数百万个量子比特，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于量子比特容易受到环境噪声的影响而出错，对于规模化的量子比特系统，通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求，也是一段时期内面临的主要挑战。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明确，国际学术界一般认为需要15年甚至更长时间。

目前，国际上正在对各种有望实现可扩展量子计算的物理体系开展系统性研究。我国已完成了所有重要量子计算体系的研究布局，成为包括欧盟、美国在内的三个具有完整布局的国家（地区）之一。

量子计算的前世今生

物理学界认为，1981年5月是标志着量子计算开始的重要时刻。

那年的一场会议演讲中，加州理工学院物理学教授、1965年诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出了两个极具前瞻性的问题：经典计算机是否能够有效地模拟量子系统？舍弃经典的图灵机模型而利用具有奇特性质的量子材料，能否建造出模拟量子系统的计算机？

费曼的观点影响了以后量子计算的发展，随着研究的不断深入，人们越发意识到量子计算的重要意义——这是一种全新的计算模式，是对计算和信息本质的深入探究和发现。

“量子计算机是用量子力学原理制造的计算机，目前还处于很初步的阶段。相应的，现有的我们在用的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岚峰告诉记者，“电脑通过电路的开和关进行计算，而量子计算机则是以量子的状态作为计算形式。”

我们日常使用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息在硬件电路里都会转换成0和1，每个比特要么代表0，要么代表1，这些比特就是信息，然后再进行传输、运算与存储。正是因为这种0和1的“计算”过程，电脑才被称为“计算机”。

量子计算机的原理与传统计算机完全不同，其理论依据是量子力学中的量子叠加原理施展并行计算的能力。“量子力学允许一个物体同时处于多种状态。那么，在量子计算中，0和1同时存在，就意味着很多个任务可以同时完成。它的关键取决于观测方法，因此具有超越经典计算机的运算能力。”陆朝阳说，每个量子比特，不仅可以表示0或1，还可以表示成0和1分别乘以一个系数再叠加，随着系数的不同，这个叠加的形式可能性会很多很多。

“要了解量子计算机的能力，我们可以用‘走迷宫’为例来解释。”陆朝阳说，传统计算机走迷宫，每次只能选择一条路去尝试，如果失败了，就只能从头再来。

“但是量子计算机走迷宫，就好比同时有10个人一起尝试不同的路，瞬间就把所有可能都尝试一遍，很快就能找到那条正确的路。”陆朝阳说，因此，量子计算机完全突破了经典计算机的限制，潜力无穷。

但量子计算机与经典计算机并非是替代的关系。袁岚峰介绍，量子计算机只是对某些问题超过经典计算机。“有些问题经典计算机已经算得很快了，如加减乘除，量子计算机对它们就没有任何优势。”目前物理学界的普遍共识是，量子计算机不可能完全取代经典计算机，只能在某些有特定难度的问题上替代经典计算机，实现量子加速。“量子计算机永远都不会完全取代经典计算机，两者会各自在适合的场景使用。”（来源：综合科技日报、新华网、学习时报、光明日报等）

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