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

科研人員設(shè)計(jì)了時(shí)空解復(fù)用的光子探測(cè)新方法，構(gòu)建了高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測(cè)器，提升了光子操縱水平和量子計(jì)算復(fù)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(hào)”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號(hào)”提升一百萬(wàn)倍。“九章三號(hào)”在百萬(wàn)分之一秒時(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）花費(fèi)超過(guò)200億年的時(shí)間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國(guó)在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。

“九章三號(hào)”實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）

“九章”問世 確立我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究第一方陣地位

2020年12月，潘建偉、陸朝陽(yáng)等學(xué)者組成的研究團(tuán)隊(duì)，與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功研制出76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算原型機(jī)——“九章”。它處理“高斯玻色取樣”的速度，比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快100萬(wàn)億倍。也就是說(shuō)，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年完成的任務(wù)，“九章”只需一分鐘。“九章”的問世，確立了我國(guó)在國(guó)際量子計(jì)算研究中第一方陣地位。

“九章二號(hào)”144模式干涉儀（部分）實(shí)驗(yàn)照片。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖?

2021年，潘建偉團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新，成功研制出“九章二號(hào)”。研究團(tuán)隊(duì)成員、中科大教授陸朝陽(yáng)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(biāo)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(gè)增加到113個(gè)。第三，新增了可編程功能?！?/span>

結(jié)果顯示，“九章二號(hào)”的算力實(shí)現(xiàn)巨大提升。根據(jù)當(dāng)時(shí)已發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法，“九章二號(hào)”求解高斯玻色取樣問題的處理速度，比全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快億億億倍，比“九章”快100億倍。“九章二號(hào)”1毫秒可算出的問題，全球“最快超算”需30萬(wàn)億年。

光量子干涉示意圖。制圖：文樂，羅弋涵 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

量子計(jì)算機(jī)有何實(shí)用價(jià)值？

有人會(huì)說(shuō)，量子計(jì)算機(jī)只能解決特定問題，感覺用途不大。其實(shí)不然。

1943年，世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生時(shí)，這個(gè)一噸重的大家伙，每秒5000次算力震驚了當(dāng)時(shí)的人們。IBM總裁托馬斯·沃森就預(yù)言，全世界有5臺(tái)這樣的計(jì)算機(jī)就夠用了。然而，才過(guò)了幾十年時(shí)間，人們手中一部智能手機(jī)的算力總和，已經(jīng)超過(guò)了當(dāng)年整個(gè)“阿波羅”登月計(jì)劃的算力總和。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是依靠芯片中硅晶體管的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)算力增強(qiáng)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(jì)算速度將“碰到天花板”。

我們把當(dāng)今全球所有計(jì)算機(jī)的算力加在一起，一年里都無(wú)法完成對(duì)“2的90次方”個(gè)數(shù)據(jù)的窮舉搜索。一方面，是傳統(tǒng)計(jì)算模式受到嚴(yán)重制約；另一方面，是隨著社會(huì)發(fā)展，數(shù)據(jù)在呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算能力的需求也隨之飛速增長(zhǎng)。有些問題之所以無(wú)法解決，就是因?yàn)樗懔Σ粔?。比如，密碼破解問題，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不是算不出，而是因?yàn)樗愕臅r(shí)間太長(zhǎng)。分解一個(gè)300位大數(shù)，一臺(tái)萬(wàn)億次傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要算15萬(wàn)年，而一臺(tái)萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)只需一秒鐘。

此外，作為量子計(jì)算原型機(jī)的“九章”，其強(qiáng)大算力可初步用于量子化學(xué)以及一些數(shù)學(xué)難題的研究，甚至也可用于機(jī)器學(xué)習(xí)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(xiàng)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(jià)值。“九章”的出色表現(xiàn)，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)“可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的規(guī)?；孔幽M機(jī)”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。潘建偉、陸朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來(lái)研制出的通用量子計(jì)算機(jī)，能夠解決很多廣泛的問題。例如對(duì)氣象預(yù)報(bào)、金融分析、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等，均具有實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，也可用來(lái)探索物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)領(lǐng)域的一些復(fù)雜問題。

量子計(jì)算未來(lái)發(fā)展前景如何？

量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力隨量子比特?cái)?shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此量子計(jì)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(guó)際學(xué)術(shù)界公認(rèn)量子計(jì)算有如下發(fā)展階段：

第一個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即量子計(jì)算機(jī)對(duì)特定問題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，達(dá)到這一目標(biāo)需要約50個(gè)量子比特的相干操縱。美國(guó)谷歌公司在2019年率先實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)線路體系的“量子計(jì)算優(yōu)越性”。此前，我國(guó)則分別于2020年在光量子體系、2021年在超導(dǎo)線路體系實(shí)現(xiàn)了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

第二個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)，即相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特，應(yīng)用于組合優(yōu)化、量子化學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等特定問題，指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)、藥物開發(fā)等。達(dá)到該階段需要5至10年，是當(dāng)前的主要研究任務(wù)。

第三個(gè)階段是實(shí)現(xiàn)可編程通用量子計(jì)算機(jī)，即相干操縱至少數(shù)百萬(wàn)個(gè)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(cuò)，對(duì)于規(guī)?；牧孔颖忍叵到y(tǒng)，通過(guò)量子糾錯(cuò)來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的正確運(yùn)行是必然要求，也是一段時(shí)期內(nèi)面臨的主要挑戰(zhàn)。由于技術(shù)上的難度，何時(shí)實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)尚不明確，國(guó)際學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為需要15年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

目前，國(guó)際上正在對(duì)各種有望實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子計(jì)算的物理體系開展系統(tǒng)性研究。我國(guó)已完成了所有重要量子計(jì)算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國(guó)在內(nèi)的三個(gè)具有完整布局的國(guó)家（地區(qū)）之一。

量子計(jì)算的前世今生

物理學(xué)界認(rèn)為，1981年5月是標(biāo)志著量子計(jì)算開始的重要時(shí)刻。

那年的一場(chǎng)會(huì)議演講中，加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼提出了兩個(gè)極具前瞻性的問題：經(jīng)典計(jì)算機(jī)是否能夠有效地模擬量子系統(tǒng)？舍棄經(jīng)典的圖靈機(jī)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(jì)算機(jī)？

費(fèi)曼的觀點(diǎn)影響了以后量子計(jì)算的發(fā)展，隨著研究的不斷深入，人們?cè)桨l(fā)意識(shí)到量子計(jì)算的重要意義——這是一種全新的計(jì)算模式，是對(duì)計(jì)算和信息本質(zhì)的深入探究和發(fā)現(xiàn)。

“量子計(jì)算機(jī)是用量子力學(xué)原理制造的計(jì)算機(jī)，目前還處于很初步的階段。相應(yīng)的，現(xiàn)有的我們?cè)谟玫挠?jì)算機(jī)被稱為經(jīng)典計(jì)算機(jī)?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副研究員袁嵐峰告訴記者，“電腦通過(guò)電路的開和關(guān)進(jìn)行計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)則是以量子的狀態(tài)作為計(jì)算形式。”

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(huì)轉(zhuǎn)換成0和1，每個(gè)比特要么代表0，要么代表1，這些比特就是信息，然后再進(jìn)行傳輸、運(yùn)算與存儲(chǔ)。正是因?yàn)檫@種0和1的“計(jì)算”過(guò)程，電腦才被稱為“計(jì)算機(jī)”。

量子計(jì)算機(jī)的原理與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完全不同，其理論依據(jù)是量子力學(xué)中的量子疊加原理施展并行計(jì)算的能力。“量子力學(xué)允許一個(gè)物體同時(shí)處于多種狀態(tài)。那么，在量子計(jì)算中，0和1同時(shí)存在，就意味著很多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)完成。它的關(guān)鍵取決于觀測(cè)方法，因此具有超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力?！标懗?yáng)說(shuō)，每個(gè)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(gè)系數(shù)再疊加，隨著系數(shù)的不同，這個(gè)疊加的形式可能性會(huì)很多很多。

“要了解量子計(jì)算機(jī)的能力，我們可以用‘走迷宮’為例來(lái)解釋?！标懗?yáng)說(shuō)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(lái)。

“但是量子計(jì)算機(jī)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。”陸朝陽(yáng)說(shuō)，因此，量子計(jì)算機(jī)完全突破了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的限制，潛力無(wú)窮。

但量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)并非是替代的關(guān)系。袁嵐峰介紹，量子計(jì)算機(jī)只是對(duì)某些問題超過(guò)經(jīng)典計(jì)算機(jī)?！坝行﹩栴}經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)算得很快了，如加減乘除，量子計(jì)算機(jī)對(duì)它們就沒有任何優(yōu)勢(shì)?！蹦壳拔锢韺W(xué)界的普遍共識(shí)是，量子計(jì)算機(jī)不可能完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，只能在某些有特定難度的問題上替代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)量子加速。“量子計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)都不會(huì)完全取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)，兩者會(huì)各自在適合的場(chǎng)景使用?！?/span>

（來(lái)源：綜合科技日?qǐng)?bào)、新華網(wǎng)、學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)、光明日?qǐng)?bào)等）