極客網·極客觀察12月7日 近日，我國在量子計算領域取得了裡程碑式的突破。中國科學技術大學宣稱該校學者潘建偉帶領的團隊成功構建了76個光子的量子計算原型機「九章」，實現了具有實用前景的「高斯玻色取樣」任務的快速求解。這一成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。
「九章」的誕生引發了多方關注與熱議，其先進程度遠超大家想像。據悉，該計算機一分鐘完成的任務，超級計算機需要約一億年才能完成。而與谷歌去年發布的量子計算原型機「懸鈴木」相比，「九章」的計算速度快了一百億倍。「九章」的出現使我國成功獲得了「量子霸權」。
「九章」為何這麼快？
「九章」的計算之快源於其計算形式。量子計算機與我們平時接觸到的普通計算機的計算形式不同。普通計算機通過電路的開與關來進行計算，單位信息比特只有1和0兩種形式，一些更複雜的運算操作則是通過多位信息的邏輯運算實現的。
而量子計算機使用粒子的狀態作為計算形式，由於粒子能夠同時處於多種狀態，因此量子計算機的單個比特可以承載更多的信息。在「九章」中使用的量子載體為光子，光子除了亮和滅兩種形態以外，還存在不同的偏振態，因此，一個光子能夠表達的不僅是0和1兩種狀態，含包括兩者組合疊加的多樣結果。粒子的使用使得量子計算機的運算速度能夠突破電路性能的限制，得到了極大程度的提升。
利用量子天然具備的疊加性，量子計算機得以施展並行計算的能力。隨著比特數的增加，信息的存儲量和運行速度將以指數形式增長，這是普通計算機難以企及的。
不過，需要明確的是，「九章」目前還不算是真正的「量子計算機」，而是「量子計算原型機」。此前潘建偉院士曾表示，通用量子計算機的問世可能還需要15-30年的時間。目前「九章」還不能進行通用運算，只能作為計算「高斯玻色採樣」的實驗設備，輔助傳統計算機進行運算。
據悉，「九章」初步將被應用於量子化學以及圖論中組合數學的研究中去，後續可能被用於機器學習的研究。「九章」的實際應用還需要更多更有效的探索。
「九章」的構建之路
目前，研製量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰之一。潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處於國際領先水平。早在2017年，該團隊就聚焦於量子點光源，構建出了世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算原型機。
在2019年，該團隊又更進一步，在光子數和計算複雜度等關鍵指標上實驗大幅度提升，逼近「量子計算優越性」。而這次，潘建偉團隊通過自主研製同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源，最終突破了光子效能的瓶頸，成功構建了「九章」。
在「九章」的構建之路上，該團隊經歷的困難遠超想像，該設備對鎖相精度的要求高達十的負九次方。團隊中的陸朝陽曾這樣描述他們遇到的難題，「我們需要50路光子同時通過20多米的光層，每一路都要保持25納米的精度，這相當於你讓50匹馬一起跑過100公裡，必須同時到達，每匹馬的誤差，不能超過一根頭髮絲。」這樣的形容充分說明了「九章」成果的來之不易。
值得一提的是，此次「九章」的研發團隊中有四位90後成員，期中年齡最小的一位成員1997年出生，這也讓我們切實地看到了「後浪」的力量。在這些年輕的新力量的推動下，建設世界科技強國，未來可期。
實現「量子霸權」
「九章」的成功研發也意味著我國實現了「量子霸權」。所謂量子霸權，也稱量子計算優越性，是指量子計算裝置在特定測試案例上表現出超越所有經典計算機的計算能力。實現量子霸權是量子計算發展的重要裡程碑，這確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。
量子計算機強大的並行運算能力，可以推動密碼破譯、材料設計、藥物分析等具有重大使用價值難題的解決，加速科技進步。量子計算機的未來是人類科技前進的一個方向，而「九章」的出現給予了中國引領世界發展的希望。
上一個聲稱實現量子霸權的是來自美國的谷歌公司，他們於2019年研發了使用53個量子比特的量子計算機「懸鈴木」。但與「懸鈴木」相比，「九章」有很大的超越。
首先，通過與最快的超級計算機的等效比較，「九章」的計算速度要比「懸鈴木」快一百億倍。除此之外，「九章」有著更強的環境適應性。「懸鈴木」對於運行環境有著很高的要求，需要在零下273.12攝氏度下運行，但「九章」只有探測部分需要低溫環境，其他部分在室溫環境下也可以運行。這意味著「九章」的使用更加便利，使用範圍也更廣。
還有重要的一點是，「九章」彌補了「懸鈴木」的技術漏洞。「懸鈴木」的運算速度與樣本數量有著緊密的練習，「懸鈴木」的運算速度只有在小樣本的情況下才優於超級計算機。而「九章」的運算能力不依賴於樣本數量，不管樣本多大，都能保持了優越的運算速度。這也是為何「九章」的出現能在世界範圍內引起如此大的轟動，許多外國科學家都對「九章」表示了肯定，並對發明團隊表達了敬意。
不過潘建偉也表示，「量子霸權就是碾壓一切」的觀點是錯誤的。他認為，「量子優越性實驗並不是一個一蹴而就的工作。而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬體之間的競爭,但最終量子並行性會產生經典計算機無法企及的算力。」
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