量子計算優越性，看中國！

“九章二號”144模式干涉儀（部分）實驗照片。中國科學技術大學供圖

“九章”量子計算原型機模型。新華社發

“祖衝之二號”量子處理器。中國科學技術大學供圖

日前，中國科學技術大學潘建偉院士領導的量子計算機研發團隊，來了個“雙黃蛋”——“祖衝之二號”和“九章二號”兩項科研成果同時發表在國際學術期刊《物理評論快報》上。“祖衝之二號”構建了66比特可編程超導量子計算原型機，實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解；“九章二號”則再次刷新了國際上光量子操縱的技術水平，處理特定問題的速度比經典超級計算機快億億億倍，進一步提供了量子計算加速的實驗證據。著名量子物理學家、加拿大卡爾加裏大學教授Barry Sanders撰寫長篇評述文章，稱該工作是“令人激動的實驗傑作”“令人印象深刻的最前沿的進步”。中國，是目前世界上唯一在超導量子和光量子兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。

量子計算的前世今生

物理學界認為，1981年5月是標誌著量子計算開始的重要時刻。

那年的一場會議演講中，加州理工學院物理學教授、1965年諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼提出了兩個極具前瞻性的問題：經典計算機是否能夠有效地模擬量子系統？捨棄經典的圖靈機模型而利用具有奇特性質的量子材料，能否建造出模擬量子系統的計算機？

費曼的觀點影響了以後量子計算的發展，隨著研究的不斷深入，人們越發意識到量子計算的重要意義——這是一種全新的計算模式，是對計算和信息本質的深入探究和發現。

“量子計算機是用量子力學原理製造的計算機，目前還處於很初步的階段。相應的，現有的我們在用的計算機被稱為經典計算機。”中國科學技術大學微尺度物質科學國家實驗室副研究員袁嵐峰告訴記者，“電腦通過電路的開和關進行計算，而量子計算機則是以量子的狀態作為計算形式。”

我們日常使用的電腦，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬體電路裏都會轉換成0和1，每個比特要麼代表0，要麼代表1，這些比特就是信息，然後再進行傳輸、運算與存儲。正是因為這種0和1的“計算”過程，電腦才被稱為“計算機”。

量子計算機的原理與傳統計算機完全不同，其理論依據是量子力學中的量子疊加原理施展並行計算的能力。“量子力學允許一個物體同時處於多種狀態。那麼，在量子計算中，0和1同時存在，就意味著很多個任務可以同時完成。它的關鍵取決於觀測方法，因此具有超越經典計算機的運算能力。”中國科學技術大學教授陸朝陽説，每個量子比特，不僅可以表示0或1，還可以表示成0和1分別乘以一個系數再疊加，隨著系數的不同，這個疊加的形式可能性會很多很多。

“要了解量子計算機的能力，我們可以用‘走迷宮’為例來解釋。”陸朝陽教授説，傳統計算機走迷宮，每次只能選擇一條路去嘗試，如果失敗了，就只能從頭再來。

“但是量子計算機走迷宮，就好比同時有10個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。”陸朝陽説，因此，量子計算機完全突破了經典計算機的限制，潛力無窮。

“例如，研發一款新藥往往需要數年，大量的時間都耗費在計算化學結構上。如果應用量子計算機研發新藥，就能極大地提高運算效率，説不定人類就能儘早研製出癌症等不治之症的‘解藥’。”中國科學院量子信息重點實驗室副主任、中國科學技術大學教授郭國平説，現在人類使用的最高端的密碼系統，比如銀行、保險、政府機構等，都是用極大質數來加密——利用傳統計算機求解極大質數的因數非常困難，需要幾十、甚至上百年時間，但是用量子計算機，破解這樣的密碼只需一眨眼的工夫。

但量子計算機與經典計算機並非是替代的關係。袁嵐峰介紹，量子計算機只是對某些問題超過經典計算機。“有些問題經典計算機已經算得很快了，如加減乘除，量子計算機對它們就沒有任何優勢。”目前物理學界的普遍共識是，量子計算機不可能完全取代經典計算機，只能在某些有特定難度的問題上替代經典計算機，實現量子加速。“量子計算機永遠都不會完全取代經典計算機，兩者會各自在適合的場景使用。”

中國成果終結“量子優越性”爭論

在衡量量子計算機的算力時，我們會反復提及一個術語：量子優越性，也叫量子霸權。“量子計算機在某個問題上超越現有的最強的經典計算機，被稱為‘量子優越性’或者叫‘量子霸權’。”袁嵐峰解釋説，“實際上，‘量子霸權’是一個科學術語，跟國際政治無關。”

根據科學家推算，一旦能夠操縱53個量子，量子計算機的算力就會超越傳統架構的超級計算機。目前人類最強的超級計算機是日本的“富岳”，它由400台計算機組成，每台重兩噸，1秒鐘可以實現1.051京（京是比兆更大的單位，1京=1億×1億）次的計算。而量子計算機只需操縱53個量子比特就能超越“富岳”。

可見，只要人類能夠操縱足夠多的量子比特，那麼量子計算機1秒鐘的計算能力，就將完全碾壓人類有史以來所有經典計算機的算力之和。

然而，這只是一個理論推算。在很長一段時間中，量子計算機是否能實現量子優越性都是一個問號——量子態脆弱而敏感，極易受到周圍環境噪聲的影響，在實際的物理體系中去建造一台量子比特數足夠多、操控保真度足夠高的量子計算機，是一項嚴峻的挑戰。

2019年10月，在持續重金投入多年以後，谷歌宣佈實現了“量子優越性”——他們設計、構建了包含53個可用量子比特的可編程超導量子處理器，命名為“懸鈴木”。在隨機線路採樣這一特定任務上，“懸鈴木”展現出超過世界上最先進超級計算機的能力。

中國科學家在取得量子信息傳輸領先地位的同時，也加緊了量子計算機的研發。

2020年12月，潘建偉、陸朝陽等人組成的研究團隊設計、構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了高斯玻色採樣任務的快速求解。研究顯示，“九章”等效地比“懸鈴木”快一百億倍，這一成果使我國成為第二個實現“量子計算優越性”的國家。

2021年5月，潘建偉院士團隊又成功研製出62比特可編程超導量子計算原型機“祖衝之號”，並實現可編程的二維量子行走。

如今，“九章”和“祖衝之”雙雙升級。

與“九章”相比，“九章二號”極大地提高了量子優勢：對於高斯玻色採樣問題，“九章”一分鐘完成的任務，超級計算機“富岳”需要花費一億年來解決；“九章二號”一毫秒可以解出的問題，“富岳”需要算30萬億年！最重要的是，“九章二號”還具有了部分可編程的能力。

“祖衝之二號”則通過操控其上的56個量子比特，在隨機線路採樣任務上實現了量子計算優越性，所完成任務的難度比“懸鈴木”高2～3個數量級。

終於，量子計算機是否能實現“量子霸權”的問題再無爭議——有專家認為：“兩個實驗性量子計算機解決了迄今最複雜的問題，這意味著是否能達到量子計算優越性的爭論就此結束。”

“‘量子計算優越性’不是一蹴而就的事情，它是量子計算和經典計算的持續競爭。”郭國平解釋説，經典計算理論學家也會不斷努力、設計出更好的算法來挑戰量子計算機，量子物理學家則會不斷升級、設計新裝置，獲得更高的量子優越性以使經典計算愈發望塵莫及。“經典計算和量子計算將相互促進，共同加深我們對計算和信息本質的理解。”

兩條技術路線均領先，中國量子計算的又一個開始

憑藉“九章”和“祖衝之”，中國科大團隊在多個不同物理體系中均實現了“量子優越性”。而“九章二號”和“祖衝之二號”的問世，則成了中國在量子計算機優越性上的又一個里程碑。

實際上，早在今年6月，在經歷嚴格的同行評議而正式發表之前，“祖衝之二號”“九章二號”的研究論文就提前公開在預印本平臺上，並引起國內外學界、媒體以及普通民眾的廣泛關注和討論。

《科學美國人》雜誌在上述論文公開兩周後，刊登了題目為《新研究表明，中國在全球量子競賽中領先》的文章。文章指出：“2017年，當中國的科學家團隊從‘墨子號’衛星發射糾纏光子，進行世界上第一次量子安全視頻通話時，專家們認為中國已經在量子通信方面處於世界領先地位。而新研究（‘祖衝之二號’、‘九章二號’等工作）表明，中國的領先地位已經擴展到量子計算領域。”

“九章”的出色表現，牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定了技術基礎。

如今，“九章二號”把光子數從原來的最多76升級到了最多113，由此導致對經典計算機的優勢從一百萬億倍增加到了一億億億倍。

“祖衝之二號”相對於經典計算機的優勢是一千萬倍。簡單地説，“九章二號”進一步擴大了對經典計算機的優勢，而“祖衝之二號”則取得了這一技術路線的新的世界紀錄。

因此，我們可以宣告中國是世界上唯一一個在兩條技術路線上實現量子優越性的國家。從這個意義上説，中國的量子計算研究處於世界領先地位。

這一切，早有謀劃。

2019年9月15日，在安徽省合肥市舉辦的“新興量子技術國際會議”上，形成了《量子信息和量子技術白皮書（合肥宣言）》。國際專家在宣言中對量子計算的三個發展階段達成了共識：第一個階段是實現量子優越性，即針對特定問題的計算能力超越經典超級計算機；第二個階段是實現具有應用價值的專用量子模擬系統；第三個階段是實現可編程的通用量子計算機。

顯然，“九章”“祖衝之”都在向更高的階段努力。例如，“九章”將繼續探索在量子機器學習、量子化學等具有實際價值的問題上的應用，而“祖衝之2.0”處理器是一種完全兼容量子糾錯的可拓展芯片架構，將繼續向量子糾錯和實現複雜量子算法邁進。

“中國在光學和超導兩條技術路線都實現了量子計算優越性，超越了美國。但這遠遠不是結束，而是開始。”袁嵐峰説。