在一个特定赛道上，200秒的“量子算力”，相当于目前“最强超算”6亿年的计算能力。12月4日，《科学》杂志公布了中国“九章”的重大突破。

　　这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子（量子比特）的量子计算原型机，是第一台实现“量子优越性”的光量子计算机，推动全球量子计算的前沿研究达到一个新高度。尽管距离实际应用仍有漫漫长路，但成功实现了“量子计算优越性”的里程碑式突破。

　　什么是“量子优越性”？

　　量子优越性，是指在某个特定问题上，量子计算机的计算能力远超传统计算机。

　　传统计算机将所有数据存储为0或1，而量子计算机利用量子力学的原理，可以允许一个物体同时处于多种状态，实行“并行计算”。正是因为这种能力，科学家认为，面对未来，量子计算机可能拥有的计算能力，传统计算机将望尘莫及。

　　去年9月，美国谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学问题的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要1万年，因此他们在全球首次实现了“量子优越性”。

　　谷歌公司首席执行官孙达尔·皮柴说，此次成果在量子计算发展史上的地位，可媲美飞行史上莱特兄弟发明飞机时成功的12秒首次试飞。

　　“高斯玻色采样”又是什么？

　　“九章”求解的问题名叫“高斯玻色采样”。它是一个计算概率分布的算法，可用于编码和求解多种问题。

　　这有点像是小时候玩过的游戏——高尔顿板。小球从上端的口落下，每经过一个钉板，都有一半的可能从左边走，一半的可能从右边走，最后，当很多小球扔下去后，下面格子里的小球分布会呈现一定的统计规律。

　　高斯玻色采样就是量子版本的高尔顿板，实际情况更为复杂，非常适合量子计算机来解决。小球变成了光子，钉板变成了分束器，若干个光子进入网格之后，经过分束器组成的干涉仪，最终分别在哪些出口被探测到，记录下来，就是一个采样。积累之后，光子数也会有一个分布。每一种采样结果都对应一个概率。全部可能的采样结果就构成输出态的态空间。

　　实验显示，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”只需200秒，而目前世界最快的传统超级计算机“富岳”需6亿年。

　　“九章”的意义在哪里？

　　就在谷歌公司宣布实现“量子优越性”后，传统计算机“顶峰”的研发者IBM公司表示质疑。他们认为，谷歌在用传统计算机模拟时优化水平不够。按照IBM公司的计算，传统计算机只需要2.5天，也可以得出与“悬铃木”同样的计算结果。这种质疑获得了业界认同。

　　潘建伟团队表示，“量子优越性”实验并非一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子计算机会产生传统计算机无法企及的算力。

　　相比“悬铃木”，“九章”有三大优势。

　　一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题，但与最快的超算等效比较，“九章”比“悬铃木”快100亿倍。

　　二是环境适应性。“悬铃木”需要-273.12℃的运行环境，而“九章”除了探测部分需要-269.12℃的环境外，其他部分可以在室温下运行。

　　三是弥补了技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超算，“九章”在小样本和大样本上均快于超算。

　　距离普通人还有多远？

　　当前，量子计算已成为全球各国竞相角逐的焦点。比如近期，欧盟宣布拟投资80亿欧元，研究量子计算等新一代算力技术。

　　“量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在密码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域，提供比传统计算机更强的算力支持。”潘建伟说。

　　据了解，国际主流观点认为，量子计算机的发展将有三个阶段：

　　第一阶段，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子优越性”里程碑式突破。

　　第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题，比如量子化学、新材料设计、优化算法等。

　　第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算原型机。

　　目前，“九章”还处在第一阶段，潘建伟说，下一步，团队将在光子、超导、冷原子等多条技术线路上推进研究。

　　2019年，提出“量子优越性”概念的物理学家约翰·裴斯基撰文评论谷歌公司的成果。他最初提出“量子优越性”时就问过，大规模量子计算究竟是非常非常困难，还是不可思议的困难？前者意味着还有几十年的路要走，后者意味着可能还要几百年。谷歌的成果让他相信，人类距离量子计算大规模应用已经不远。如今，“九章”取得的成果或许更能让他确信这一点了。

　　“我对量子计算的前景非常乐观，世界上有很多聪明人在做这件事，包括我的中国同事们。”奥地利科学院院长、美国科学院院士安东·塞林格预测，很有可能有朝一日量子计算机会被广泛推广，“每个人都可以使用”。

　　潘建伟、陆朝阳都是浙江东阳人。论文第一作者多为“90后”，最小的出生于1997年。

　　取名“九章”，是为了纪念中国古代著名数学专著《九章算术》。

　　（综合新华社、《都市快报》）

　　《绍兴晚报》（2020年12月05日）

　　http://epaper.sxnews.cn/sxwb/html/2020-12/05/content_11958_3698333.htm