九章——踏破量子優越性

中國科學技術大學潘建偉研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功研制出量子計算原型機“九章”，它求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。這一突破使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。那量子計算機是什么？這一突破又意味著什么呢？

一、什么是量子計算機？

量子計算機是一種運行規律遵循量子力學，能夠進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。它以量子比特為基本運行單元，有別于傳統計算機只能處于0或1的二進制狀態，可同時處在多個狀態，從而具有比傳統計算機更加強大的并行計算能力。它的計算應用了量子世界的特性，如疊加性、非局域性和不可克隆性等，因此天然地具有并行計算的能力，可以將某些在電子計算機上呈指數增長復雜度的問題變為多項式增長復雜度問題，即某些對電子計算機來說難解的問題，在量子計算機上就可變成易解的問題。量子計算機的誕生將為人類社會提供具有強大無比運算能力的新型信息處理工具，因此它被稱之為影響未來的顛覆性技術。

二、什么是量子優越性？

量子計算研究被分為三個階段目標，分別是量子計算優越性、研制可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機、研制可編程的通用量子計算原型機。其中第一個階段目標“量子優越性”是指作為新生事物的量子計算機，一旦在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明了量子計算機的優越性，跨過了未來多方面超越傳統計算機的門檻。

三、九章量子計算機又是什么？

九章量子計算機是中國科研團隊通過對量子光源、量子干涉、單光子探測器等領域進行自主創新，成功構建出的76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機。為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》，這臺原型機被命名為“九章”。根據現有理論，該量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機“富岳”快100萬億倍，比去年谷歌發布的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快100億倍，使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子優越性。

四、量子計算機發展到什么階段？有什么價值？

“九章”量子計算原型機的誕生使我國成功邁入國際量子計算研究中的第一方陣，為未來實現規模化量子模擬機奠定了技術基礎。隨著計算能力的進一步提升，量子計算機將有望在密碼破譯、材料設計、藥物分析等具有實用價值的領域發揮重要作用。但目前，無論是谷歌量子計算原型機處理“隨機線路取樣”，還是“九章”求解“高斯玻色取樣”，都只能用來解決某個特定問題。未來量子計算機的突破，還要依賴于新材料在量子計算硬件上的創新。只有研制出可編程的通用量子計算原型機，才能用以解決一些應用非常廣泛的問題。