【解放军报】量子计算的里程碑——“九章”横空出世 - 中科大家长论坛

2020年12月，中国科学技术大学潘建伟、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一百万亿倍。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。那么，它到底是台什么样的计算机呢？请看——

人们知道，量子计算机比传统计算机更为先进。但是，它可不是电脑新旧版本更替的那种升级。虽然都是计算机，功能也相似，但二者之间有着质的不同。就像蜡烛和电灯泡，虽然都能照明，却有天壤之别。

“九章”作为量子计算原型机，它和传统计算机的不同在于：我们所使用的计算机信息处理单元是经典比特，有0和1两种状态，一次只能处理非0即1的单一状态比特。而“九章”的处理单元是量子比特，可以同时处理0和1。就像在一个巨型迷宫里探路，传统计算机一次只能走一条路，需要一次次地试。而“九章”能喊来一大群小伙伴，一次就能试完全部的路，效率极高。正因如此，传统的经典计算机得出一项结论可能要花费数亿年，“九章”却能在数十秒钟内完成同一计算。

那么，要造一台像“九章”这样的量子计算原型机，到底有多难？回答是“难上加难”——因为，一束光里有无数小颗粒，他们最小的组成单位就叫光子（也叫光量子）。“九章”使用的就是光子。若想造出一台包含若干个光子的量子计算机，最关键的就是让光子服从人的控制。就像“九章”研制者之一潘建伟所说：“你喝一杯水很容易，但是让你一个水分子一个水分子地喝，很难做到。”

灯泡被点亮的一瞬间，你看到的是一束光，但你看不到的是亿万个光子正以我们无法掌控的奇特轨迹运动，想要抓住其中几个让它们听从指挥，几乎是不可能完成的任务。可即便再难，在持续不懈的努力下，科学家们真的做到了。

提到“高尔顿钉板”，大家或许会想到一种小时候玩过的游戏：扔一个小球进网格，一层一层往下落，越往两边的孔漏出，奖励就越高。

此次“九章”完成的，是一个叫“高斯玻色取样”的模拟任务，正是一种量子版的“高尔顿钉板”问题。人们可试着想象一下：把小球变成光子，把钉板变成分束器，扔若干个光子进入网格之后，问每个出口有多少光子出去？当然，真实的玻色取样比人们的这种想象要复杂得多。因为小球的运动轨迹是可预知的，而光子在板里的运动轨迹极其复杂，再加上相互干涉，从哪个孔里出来就变得非常难以预测。

事实上，设计这个问题，就是为了证明：有些用传统计算机解决起来复杂无比的问题，用量子计算机却能轻松解决，即所谓的量子计算优越性。但是，自玻色取样问题提出后，世界上陆续有很多个小组进行挑战和验证，均未获得成功，展示量子优越性也就无从谈起。

直到2017年，潘建伟、陆朝阳团队才实现了5个光子玻色取样。这标志着量子计算机的研究不再止于理论，而是可以制造真正的机器来执行具体的算法，这对量子计算发展的意义不言而喻。

去年，谷歌研制的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”。它所计算的，也是一个为证明量子优越性而量身打造的问题，被人们认为是量子计算从理论到实践的“转折点”。

后来，潘建伟、陆朝阳团队采用压缩态光源——不同于单光子光源“一个一个”走出来的状态，压缩态光源可以看作是“一团一团”走出来。他们将50个压缩态光源，输入一个有100个入口、100个出口的网格，最后在网格出口处安置了探测器进行采样。在进入网格之前，每路光源要先经过2米自由空间和20米光纤，整个过程中产生的抖动必须确保在25纳米之内。难度系数之大，陆朝阳将之形容为“让50匹马奔跑100公里，偏离误差小于一根头发丝”。

最终，该团队成功构建了76个光子100个模式的“高斯玻色取样”量子计算原型机，并取名为“九章”，以纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。当时《九章算术》的出现，标志着中国古代数学形成了完整的体系，是中国数字史上的一座里程碑。而这台量子计算原型机的问世，使得我国成为世界上第二个实现量子优越性的国家，同样具有里程碑意义。

处理一个问题，“九章”只需200秒，而目前世界上最快的超级计算机“富岳”号则需要6亿年，换成中国的超级计算机“神威·太湖之光”要算上25亿年。其速度也等效地比量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

有人会说，无论是“悬铃木”还是“九章”，都只能解决特定问题，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。

未来，随着通用量子计算机的出现，可以预见，很多学科会因此而兴盛，人类科技史将会因此翻开崭新的一页。