2020年12月，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等學者組成的研究團隊，與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功研制出76個光子100個模式的量子計算原型機——“九章”。它處理“高斯玻色取樣”的速度，比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。也就是說，超級計算機需要一億年完成的任務，“九章”隻需一分鐘。“九章”的問世，确立了我國在國際量子計算研究中第一方陣地位。那麼，它到底是台什麼樣的計算機呢？請看——

“九章”與傳統計算機相比有天壤之别

人們知道，量子計算機比傳統計算機更為先進。但是，它可不是電腦新舊版本更替的那種升級。雖然都是計算機，功能也相似，但二者之間有着質的不同。就像蠟燭和電燈泡，雖然都能照明，卻有天壤之别。

“九章”作為量子計算原型機，它和傳統計算機的不同在于：我們所使用的計算機信息處理單元是經典比特，有0和1兩種狀态，一次隻能處理非0即1的單一狀态比特。而“九章”的處理單元是量子比特，可以同時處理0和1。就像在一個巨型迷宮裡探路，傳統計算機一次隻能走一條路，需要一次次地試。而“九章”能喊來一大群小夥伴，一次就能試完全部的路，效率極高。正因如此，傳統的經典計算機得出一項結論可能要花費數億年，“九章”卻能在數十秒鐘内完成同一計算。

那麼，要造一台像“九章”這樣的量子計算原型機，到底有多難？回答是“難上加難”——因為，一束光裡有無數小顆粒，他們最小的組成單位就叫光子（也叫光量子）。“九章”使用的就是光子。若想造出一台包含若幹個光子的量子計算機，最關鍵的就是讓光子服從人的控制。就像“九章”研制者之一潘建偉所說：“你喝一杯水很容易，但是讓你一個水分子一個水分子地喝，很難做到。”

燈泡被點亮的一瞬間，你看到的是一束光，但你看不到的是億萬個光子正以我們無法掌控的奇特軌迹運動，想要抓住其中幾個讓它們聽從指揮，幾乎是不可能完成的任務。可即便再難，在持續不懈的努力下，科學家們真的做到了。

“九章”的神速算力快過超算以億年計

提到“高爾頓釘闆”，大家或許會想到一種小時候玩過的遊戲：扔一個小球進網格，一層一層往下落，越往兩邊的孔漏出，獎勵就越高。

此次“九章”完成的，是一個叫“高斯玻色取樣”的模拟任務，正是一種量子版的“高爾頓釘闆”問題。人們可試着想象一下：把小球變成光子，把釘闆變成分束器，扔若幹個光子進入網格之後，問每個出口有多少光子出去？當然，真實的玻色取樣比人們的這種想象要複雜得多。因為小球的運動軌迹是可預知的，而光子在闆裡的運動軌迹極其複雜，再加上相互幹涉，從哪個孔裡出來就變得非常難以預測。

事實上，設計這個問題，就是為了證明：有些用傳統計算機解決起來複雜無比的問題，用量子計算機卻能輕松解決，即所謂的量子計算優越性。但是，自玻色取樣問題提出後，世界上陸續有很多個小組進行挑戰和驗證，均未獲得成功，展示量子優越性也就無從談起。

直到2017年，潘建偉、陸朝陽團隊才實現了5個光子玻色取樣。這标志着量子計算機的研究不再止于理論，而是可以制造真正的機器來執行具體的算法，這對量子計算發展的意義不言而喻。

去年，谷歌研制的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”。它所計算的，也是一個為證明量子優越性而量身打造的問題，被人們認為是量子計算從理論到實踐的“轉折點”。

後來，潘建偉、陸朝陽團隊采用壓縮态光源——不同于單光子光源“一個一個”走出來的狀态，壓縮态光源可以看作是“一團一團”走出來。他們将50個壓縮态光源，輸入一個有100個入口、100個出口的網格，最後在網格出口處安置了探測器進行采樣。在進入網格之前，每路光源要先經過2米自由空間和20米光纖，整個過程中産生的抖動必須确保在25納米之内。難度系數之大，陸朝陽将之形容為“讓50匹馬奔跑100公裡，偏離誤差小于一根頭發絲”。

最終，該團隊成功構建了76個光子100個模式的“高斯玻色取樣”量子計算原型機，并取名為“九章”，以紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。當時《九章算術》的出現，标志着中國古代數學形成了完整的體系，是中國數字史上的一座裡程碑。而這台量子計算原型機的問世，使得我國成為世界上第二個實現量子優越性的國家，同樣具有裡程碑意義。

處理一個問題，“九章”隻需200秒，而目前世界上最快的超級計算機“富嶽”号則需要6億年，換成中國的超級計算機“神威·太湖之光”要算上25億年。其速度也等效地比量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

諸如“九章”的量子計算機未來更有實用價值

有人會說，無論是“懸鈴木”還是“九章”，都隻能解決特定問題，感覺用途不大。其實不然。

1943年，世界上第一台計算機誕生時，這個一噸重的大家夥，每秒5000次算力震驚了當時的人們。IBM總裁托馬斯·沃森就預言，全世界有5台這樣的計算機就夠用了。然而，才過了幾十年時間，人們手中一部智能手機的算力總和，已經超過了當年整個“阿波羅”登月計劃的算力總和。

傳統計算機是依靠芯片中矽晶體管的指數級增長，來實現算力增強的。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，晶體管電路原理将不再适用，計算速度将“碰到天花闆”。

我們把當今全球所有計算機的算力加在一起，一年裡都無法完成對“2的90次方”個數據的窮舉搜索。一方面，是傳統計算模式受到嚴重制約；另一方面，是随着社會發展，數據在呈指數級增長，對計算能力的需求也随之飛速增長。有些問題之所以無法解決，就是因為算力不夠。比如，密碼破解問題，傳統計算機不是算不出，而是因為算的時間太長。分解一個300位大數，一台萬億次傳統計算機需要算15萬年，而一台萬億次量子計算機隻需一秒鐘。

此外，作為量子計算原型機的“九章”，其強大算力可初步用于量子化學以及一些數學難題的研究，甚至也可用于機器學習的一些研究，在解決傳統難題上能做一些有效探索。

目前，“九章”還隻是“單項冠軍”，但它将在更多領域的探索中，體現出更多應用價值。“九章”的出色表現，為将來實現“可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模拟機”奠定了技術基礎。潘建偉、陸朝陽團隊認為，未來研制出的通用量子計算機，能夠解決很多廣泛的問題。例如對氣象預報、金融分析、材料設計、藥物分析等，均具有實用價值。同時，也可用來探索物理學、生物學、化學領域的一些複雜問題。

未來，随着通用量子計算機的出現，可以預見，很多學科會因此而興盛，人類科技史将會因此翻開嶄新的一頁。

上圖為光子幹涉實物圖。

新華社發

作者：張 媛 紀小檸 汪冬立

來源： 解放軍報

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