九章——踏破量子优越性

近日，中国科学技术大学潘建伟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，成功研制出量子计算原型机“九章”，它求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。那量子计算机是什么？这一突破又意味着什么呢？

一、什么是量子计算机

量子计算机是一种运行规律遵循量子力学，能够进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。它以量子比特为基本运行单元，有别于传统计算机只能处于０或１的二进制状态，可同时处在多个状态，从而具有比传统计算机更加强大的并行计算能力。它的计算应用了量子世界的特性，如叠加性、非局域性和不可克隆性等，因此天然地具有并行计算的能力，可以将某些在电子计算机上呈指数增长复杂度的问题变为多项式增长复杂度问题，即某些对电子计算机来说难解的问题，在量子计算机上就可变成易解的问题。量子计算机的诞生将为人类社会提供具有强大无比运算能力的新型信息处理工具，因此它被称之为影响未来的颠覆性技术。

二、什么是量子优越性

量子计算研究被分为三个阶段目标，分别是量子计算优越性；研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机和研制可编程的通用量子计算原型机。其中第一个阶段目标“量子优越性”是指作为新生事物的量子计算机，一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明了量子计算机的优越性，跨过了未来多方面超越传统计算机的门槛。

三、九章量子计算机又是什么

九章量子计算机是中国科研团队通过对量子光源、量子干涉、单光子探测器等领域进行自主创新，成功构建出的76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机。为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》，这台原型机被命名为“九章”。根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快100万亿倍，比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快100亿倍，使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子优越性。

四、量子计算机发展到什么阶段了？有什么价值？

“九章”量子计算原型机的诞生使我国成功迈入国际量子计算研究中的第一方阵，为未来实现规模化量子模拟机奠定了技术基础。随着计算能力的进一步提升，量子计算机将有望在密码破译、材料设计、药物分析等具有实用价值的领域发挥重要作用。但目前，无论是谷歌量子计算原型机处理“随机线路取样”，还是“九章”求解“高斯玻色取样”，都只能用来解决某个特定问题。未来量子计算机的突破，还要依赖于新材料在量子计算硬件上的创新。只有研制出可编程的通用量子计算原型机，才能用以解决一些应用非常广泛的问题。

参考资料：

[1]我国科学家实现“量子计算优越性” 计算速度指数级增加.央视网.2020.12.4

[2]最快！我国量子计算机实现算力全球领先.新华社.2020.12.4

[3]郭光灿,陈以鹏,王琴.量子计算机研究进展[J/OL].南京邮电大学学报(自然科学版),2020(05):1-8[2020-12-12].

[4]中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑. 中国科学技术大学新闻网.2020.12.4

[5]中国量子计算原型机“九章”问世 问鼎全球最快计算机.央广网.2020.12.5

[6]我国科学家实现“量子计算优越性”.中国青年报.2020.12.7.

[7]创新主动权必须牢牢掌握在自己手中.北京青年报.2020.12.7