量子计算机如何超越经典计算机？

量子优越性是量子计算领域的重要里程碑，意味着一台真实可用的量子计算机在某个特定问题上超越经典计算机的运算能力。这一概念在量子计算发展初期被称为“量子霸权”，后因词语的争议性改称为量子优越性。量子优越性的实现表明，在特定数学问题上，量子计算能优于最先进的经典计算机，证明其理论上速度优势的可行性。

需要注意的是，量子优越性仅适用于特定问题，并不意味着量子计算机对所有任务都优于经典计算机。实现量子优越性的项目往往涉及精心设计的问题，以发挥量子计算的最大优势，而经典计算机难以快速解决这些问题。

2019年，谷歌的量子计算机“悬铃木”实现了针对“随机线路取样”问题的量子优越性。该计算机通过53个量子比特，花费200秒完成了经典超算可能需要1万年才能完成的运算。然而，经典计算机并未止步不前。很快，经典算法被改进，中国科学院的张攀团队提出了更高效的算法，使经典计算机在几十秒内完成了同样的任务，反超了“悬铃木”。

中国的量子计算突破：“九章”与“祖冲之二号”

在美国经典算法反超谷歌量子计算机的同年，中国科学技术大学的潘建伟、陆朝阳团队在“高斯玻色子取样”问题上取得了突破。2020年发布的量子计算机“九章”在200秒内完成了5,000万次取样，而经典计算机则需要6亿年，这一成就展现了量子计算在特定问题上的巨大优势。2021年，团队发布了升级版“九章二号”，进一步提高了计算效率，实现了1亿亿倍的领先优势。同年，他们还发布了超导体系的“祖冲之二号”，该计算机在随机线路取样任务上大幅领先经典计算机，成为目前唯一在该体系中拥有量子优越性的计算机。

量子优越性的竞争始终是动态的。经典计算机的性能不断提高，新算法的研发也在不断缩短量子与经典之间的差距。然而，目前的研究表明，量子计算在某些复杂任务上的增速远超经典算法，尤其在光学和超导两大体系中，中国的“九章”和“祖冲之二号”展现了在这些领域中的领先优势。

量子优越性与实际应用的距离

虽然量子优越性展示了量子计算的潜力，但至今这些成果主要是在纯数学问题中实现，缺乏实际应用。像“随机线路取样”和“高斯玻色子取样”这些问题仍然是思维体操，而非具备实用价值的应用。量子计算领域目前还处于高成本研发阶段，能否在未来5到10年内实现实际应用，例如用于材料创新或密码破解，仍然是悬而未决的问题。

量子计算的潜力巨大，但仍需更多的技术突破与实用问题的解决。尽管目前在数学和理论计算上展现了独特的优势，量子计算机能否有效解决实际问题尚存不确定性。科学家们将继续在量子硬件和算法上投入大量精力，期待未来的量子计算能够真正走出实验室，影响我们生活的方方面面。

作者：《你也可以理解量子信息》风云际会

审核：罗会仟 中科院物理所研究员

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