11日，記者從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊，與中國科學院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建了255個光子的量子計算原型機“九章三號”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計算優(yōu)越性的世界紀錄。

科研人員設(shè)計了時空解復用的光子探測新方法，構(gòu)建了高保真度的準光子數(shù)可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算復雜度。根據(jù)公開正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍?！熬耪氯枴痹诎偃f分之一秒時間內(nèi)所處理的最高復雜度的樣本，需要當前最強的超級計算機“前沿”（Frontier）花費超過200億年的時間。這一成果進一步鞏固了我國在光量子計算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

“九章三號”實驗裝置示意圖。（中國科學技術(shù)大學供圖）

“九章”問世 確立我國在國際量子計算研究第一方陣地位

2020年12月，潘建偉、陸朝陽等學者組成的研究團隊，與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，成功研制出76個光子100個模式的量子計算原型機——“九章”。它處理“高斯玻色取樣”的速度，比目前最快的超級計算機快100萬億倍。也就是說，超級計算機需要一億年完成的任務(wù)，“九章”只需一分鐘?！熬耪隆钡膯柺?，確立了我國在國際量子計算研究中第一方陣地位。

“九章二號”144模式干涉儀（部分）實驗照片。中國科學技術(shù)大學供圖?

2021年，潘建偉團隊進行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新，成功研制出“九章二號”。研究團隊成員、中科大教授陸朝陽介紹：“主要有三大突破，首先顯著提高了量子光源的產(chǎn)率、品質(zhì)和收集效率，將光源關(guān)鍵指標從63%提升到92%。其次，將多光子量子干涉線路從100維度增加到144維度，操縱的光子數(shù)從76個增加到113個。第三，新增了可編程功能?！?/span>

結(jié)果顯示，“九章二號”的算力實現(xiàn)巨大提升。根據(jù)當時已發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法，“九章二號”求解高斯玻色取樣問題的處理速度，比全球最快的超級計算機快億億億倍，比“九章”快100億倍。“九章二號”1毫秒可算出的問題，全球“最快超算”需30萬億年。

光量子干涉示意圖。制圖：文樂，羅弋涵 來源：中國科學技術(shù)大學

量子計算機有何實用價值？

有人會說，量子計算機只能解決特定問題，感覺用途不大。其實不然。

1943年，世界上第一臺計算機誕生時，這個一噸重的大家伙，每秒5000次算力震驚了當時的人們。IBM總裁托馬斯·沃森就預言，全世界有5臺這樣的計算機就夠用了。然而，才過了幾十年時間，人們手中一部智能手機的算力總和，已經(jīng)超過了當年整個“阿波羅”登月計劃的算力總和。

傳統(tǒng)計算機是依靠芯片中硅晶體管的指數(shù)級增長，來實現(xiàn)算力增強的。然而，今天一枚晶體管的尺寸比病毒還小，已逼近物理極限。終有一天，晶體管電路原理將不再適用，計算速度將“碰到天花板”。

我們把當今全球所有計算機的算力加在一起，一年里都無法完成對“2的90次方”個數(shù)據(jù)的窮舉搜索。一方面，是傳統(tǒng)計算模式受到嚴重制約；另一方面，是隨著社會發(fā)展，數(shù)據(jù)在呈指數(shù)級增長，對計算能力的需求也隨之飛速增長。有些問題之所以無法解決，就是因為算力不夠。比如，密碼破解問題，傳統(tǒng)計算機不是算不出，而是因為算的時間太長。分解一個300位大數(shù)，一臺萬億次傳統(tǒng)計算機需要算15萬年，而一臺萬億次量子計算機只需一秒鐘。

此外，作為量子計算原型機的“九章”，其強大算力可初步用于量子化學以及一些數(shù)學難題的研究，甚至也可用于機器學習的一些研究，在解決傳統(tǒng)難題上能做一些有效探索。

目前，“九章”還只是“單項冠軍”，但它將在更多領(lǐng)域的探索中，體現(xiàn)出更多應(yīng)用價值。“九章”的出色表現(xiàn)，為將來實現(xiàn)“可解決具有重大實用價值問題的規(guī)?；孔幽M機”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。潘建偉、陸朝陽團隊認為，未來研制出的通用量子計算機，能夠解決很多廣泛的問題。例如對氣象預報、金融分析、材料設(shè)計、藥物分析等，均具有實用價值。同時，也可用來探索物理學、生物學、化學領(lǐng)域的一些復雜問題。

量子計算未來發(fā)展前景如何？

量子計算機的計算能力隨量子比特數(shù)目呈指數(shù)增長，因此量子計算研究的核心任務(wù)是多量子比特的相干操縱。根據(jù)相干操縱量子比特的規(guī)模，國際學術(shù)界公認量子計算有如下發(fā)展階段：

第一個階段是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機，達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。美國谷歌公司在2019年率先實現(xiàn)超導線路體系的“量子計算優(yōu)越性”。此前，我國則分別于2020年在光量子體系、2021年在超導線路體系實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”。

第二個階段是實現(xiàn)專用量子模擬機，即相干操縱數(shù)百個量子比特，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學、機器學習等特定問題，指導材料設(shè)計、藥物開發(fā)等。達到該階段需要5至10年，是當前的主要研究任務(wù)。

第三個階段是實現(xiàn)可編程通用量子計算機，即相干操縱至少數(shù)百萬個量子比特，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。由于量子比特容易受到環(huán)境噪聲的影響而出錯，對于規(guī)模化的量子比特系統(tǒng)，通過量子糾錯來保證整個系統(tǒng)的正確運行是必然要求，也是一段時期內(nèi)面臨的主要挑戰(zhàn)。由于技術(shù)上的難度，何時實現(xiàn)通用量子計算機尚不明確，國際學術(shù)界一般認為需要15年甚至更長時間。

目前，國際上正在對各種有望實現(xiàn)可擴展量子計算的物理體系開展系統(tǒng)性研究。我國已完成了所有重要量子計算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國在內(nèi)的三個具有完整布局的國家（地區(qū)）之一。

量子計算的前世今生

物理學界認為，1981年5月是標志著量子計算開始的重要時刻。

那年的一場會議演講中，加州理工學院物理學教授、1965年諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼提出了兩個極具前瞻性的問題：經(jīng)典計算機是否能夠有效地模擬量子系統(tǒng)？舍棄經(jīng)典的圖靈機模型而利用具有奇特性質(zhì)的量子材料，能否建造出模擬量子系統(tǒng)的計算機？

費曼的觀點影響了以后量子計算的發(fā)展，隨著研究的不斷深入，人們越發(fā)意識到量子計算的重要意義——這是一種全新的計算模式，是對計算和信息本質(zhì)的深入探究和發(fā)現(xiàn)。

“量子計算機是用量子力學原理制造的計算機，目前還處于很初步的階段。相應(yīng)的，現(xiàn)有的我們在用的計算機被稱為經(jīng)典計算機?！敝袊茖W技術(shù)大學微尺度物質(zhì)科學國家實驗室副研究員袁嵐峰告訴記者，“電腦通過電路的開和關(guān)進行計算，而量子計算機則是以量子的狀態(tài)作為計算形式?！?/span>

我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔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0和1，每個比特要么代表0，要么代表1，這些比特就是信息，然后再進行傳輸、運算與存儲。正是因為這種0和1的“計算”過程，電腦才被稱為“計算機”。

量子計算機的原理與傳統(tǒng)計算機完全不同，其理論依據(jù)是量子力學中的量子疊加原理施展并行計算的能力?！傲孔恿W允許一個物體同時處于多種狀態(tài)。那么，在量子計算中，0和1同時存在，就意味著很多個任務(wù)可以同時完成。它的關(guān)鍵取決于觀測方法，因此具有超越經(jīng)典計算機的運算能力。”陸朝陽說，每個量子比特，不僅可以表示0或1，還可以表示成0和1分別乘以一個系數(shù)再疊加，隨著系數(shù)的不同，這個疊加的形式可能性會很多很多。

“要了解量子計算機的能力，我們可以用‘走迷宮’為例來解釋?！标懗栒f，傳統(tǒng)計算機走迷宮，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，因此，量子計算機完全突破了經(jīng)典計算機的限制，潛力無窮。

但量子計算機與經(jīng)典計算機并非是替代的關(guān)系。袁嵐峰介紹，量子計算機只是對某些問題超過經(jīng)典計算機?！坝行﹩栴}經(jīng)典計算機已經(jīng)算得很快了，如加減乘除，量子計算機對它們就沒有任何優(yōu)勢。”目前物理學界的普遍共識是，量子計算機不可能完全取代經(jīng)典計算機，只能在某些有特定難度的問題上替代經(jīng)典計算機，實現(xiàn)量子加速?！傲孔佑嬎銠C永遠都不會完全取代經(jīng)典計算機，兩者會各自在適合的場景使用?！?/span>

（來源：綜合科技日報、新華網(wǎng)、學習時報、光明日報等）