原標題：瞭望丨新的算力里程碑
◇研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰之一
◇好比走迷宮，傳統計算機每次只能選擇一條路去嘗試，量子計算機可以同時(shí)嘗試多條不同的路，能更快找到那條正確的路
◇“九章三號”正在從“實(shí)現‘量子優(yōu)越性’里程碑式突破”的階段向“解決一些超級計算機無(wú)法勝任、具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題”的階段跨越
◇通用量子計算機需要操縱上千萬(wàn)的量子比特，同時(shí)也要具備糾錯能力，這些都是目前九章系列量子計算原型機需要迭代實(shí)現的，量子技術(shù)的實(shí)用化是一場(chǎng)接力長(cháng)跑
宋博 圖/本刊
10月11日，中國科學(xué)家宣布成功構建255個(gè)光子的“九章三號”量子計算原型機，求解高斯玻色取樣數學(xué)問(wèn)題比目前全球最快的超級計算機快一億億倍，確立新的算力里程碑。
“九章三號”為什么能這么快？研制量子計算機進(jìn)展到哪一步了？量子計算機距離實(shí)用還有多遠？《瞭望》新聞周刊記者獨家專(zhuān)訪(fǎng)了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)九章團隊。
比最快超算快一億億倍
為何能這么快
量子計算是一種遵循量子力學(xué)規律，調控量子信息單元進(jìn)行計算的新型計算模式。1981年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼首先提出了量子計算機構想。
它在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過(guò)特定算法在一些具有重大社會(huì )和經(jīng)濟價(jià)值的問(wèn)題方面，相比傳統的電子計算機實(shí)現指數級別的加速。因而，研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰之一。
最新發(fā)布的“九章三號”有多快？根據公開(kāi)發(fā)表的最優(yōu)算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣數學(xué)問(wèn)題的速度比上一代“九章二號”提升一百萬(wàn)倍?！熬耪氯枴?微秒可算出的最復雜樣本，當前全球最快的超級計算機“前沿”（Frontier）約需200億年。
為何能這么快？
“九章三號”項目牽頭人陸朝陽(yáng)教授告訴《瞭望》新聞周刊記者，量子計算的運算邏輯和傳統電子計算機不同，傳統計算機基于二進(jìn)制進(jìn)行邏輯運算，每個(gè)晶體管相當于一個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)表示0和1。每次運算只能處理一位信息，信息量越大，計算時(shí)間越長(cháng)。而量子計算機采用量子比特，它利用量子力學(xué)特性比如疊加態(tài)和糾纏態(tài)，從而實(shí)現并行運算。
“好比走迷宮，傳統計算機每次只能選擇一條路去嘗試，如果失敗了，就只能從頭再來(lái)。但是量子計算機走迷宮，就好比同時(shí)有10個(gè)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?yáng)說(shuō)。
量子計算的另一個(gè)特性是隨著(zhù)可操縱的量子數量增多，運算能力呈指數級增長(cháng)?！熬耪露枴笨刹倏v113個(gè)光子，“九章三號”可操縱255個(gè)光子，但運算能力的提升并不是255除以113得到的2.26倍，而是100萬(wàn)倍。
“九章三號”從結構上分為受激量子光源、超低損耗的量子光路、時(shí)空解復用的光纖環(huán)以及超導納米線(xiàn)單光子探測器四大部分，較“九章二號”最大的升級在于“時(shí)空解復用的光纖環(huán)”技術(shù)。
“‘九章二號’無(wú)法解析光子具體數量，光纖環(huán)的應用能夠大幅度提高光子的操縱水平?！标懗?yáng)說(shuō)，與此同時(shí)，受激量子光源也是目前世界上損耗率最低、模式數最多的，這些創(chuàng )新提升了光子的數量和品質(zhì)，以及計算的復雜度。
“九章三號”處于量子計算機
研制的什么階段
國際主流觀(guān)點(diǎn)認為，量子計算機的發(fā)展將有三個(gè)階段：
第一階段，研制50個(gè)到100個(gè)量子比特的專(zhuān)用量子計算機，實(shí)現“量子優(yōu)越性”里程碑式突破。
第二階段，研制可操縱數百個(gè)量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無(wú)法勝任、具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題，比如量子化學(xué)、新材料設計、優(yōu)化算法等。
第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算原型機。
2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊與中國科學(xué)院上海微系統所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，成功構建76個(gè)光子的“九章”量子計算原型機，首次在國際上實(shí)現光學(xué)體系的“量子計算優(yōu)越性”。
2021年，他們進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機，使我國成為唯一在光學(xué)和超導兩種技術(shù)路線(xiàn)都達到了“量子計算優(yōu)越性”的國家。
那么，最新發(fā)布的“九章三號”處于哪個(gè)階段？
“我認為，九章三號正在從第一階段向第二階段跨越?！标懗?yáng)說(shuō)，他們在不斷鞏固第一階段實(shí)現的“量子優(yōu)越性”基礎上，不斷探索第二階段的實(shí)用性開(kāi)發(fā)，包括用來(lái)解決圖論、盲計算、量子精密測量等方面的一些問(wèn)題，尋找在現實(shí)中有潛在應用價(jià)值的場(chǎng)景。
量子計算機距離實(shí)用還有多遠
潘建偉介紹，量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過(guò)特定算法在密碼破譯、大數據優(yōu)化、天氣預報、材料設計、藥物分析等領(lǐng)域，提供比傳統計算機更強的算力支持。但要實(shí)現具有實(shí)用性的通用量子計算機，還有很長(cháng)的路要走。
近年來(lái)，中外科學(xué)家持續攻關(guān)量子計算研究，不斷取得重大突破。此次發(fā)布的“九章三號”，潘建偉團隊在理論上首次開(kāi)發(fā)了包含光子全同性的新理論模型，實(shí)現更精確的理論與實(shí)驗吻合度，同時(shí)發(fā)展了完備的貝葉斯驗證和關(guān)聯(lián)函數驗證。
陸朝陽(yáng)告訴《瞭望》新聞周刊記者，即便是這樣，“九章三號”距離通用量子計算機還很遠?！巴ㄓ昧孔佑嬎銠C需要操縱上千萬(wàn)的量子比特，同時(shí)也要具備糾錯能力，這些都是目前九章系列量子計算原型機需要迭代實(shí)現的，量子技術(shù)的實(shí)用化是一場(chǎng)接力長(cháng)跑?！?/p>
國際主流觀(guān)點(diǎn)認為，要實(shí)現通用量子計算機，至少還需要5年到10年乃至更長(cháng)時(shí)間。
當前，國際量子計算研究呈加速態(tài)勢，量子計算成為全球各國科研和戰略布局的重點(diǎn)，包括IBM、谷歌等在內的科技巨頭不斷加碼，各國政府和行業(yè)也正加速對量子計算的研發(fā)投資和政策扶持。
九章團隊表示，期待這次突破能激發(fā)科學(xué)界更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究，逐步解決各種科學(xué)和工程挑戰，加快實(shí)現通用型量子計算機推動(dòng)經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展?！拔覀兿Ｍ?，能有更多優(yōu)秀的年輕人加入進(jìn)來(lái)，更多其他學(xué)科的學(xué)者加入進(jìn)來(lái)，形成學(xué)科交叉，共同推動(dòng)量子計算事業(yè)加速發(fā)展?！?/p>
?。?font color="black">文?|《瞭望》新聞周刊記者?徐海濤?張泉?陳諾? 《瞭望》2023年第43期 ）
