「九章」花200秒能完成的工作，目前世界上最快的超級計算機「富嶽」，要工作6億年。
12月4日，中國科學技術大學宣布潘建偉、陸朝陽等的研究團隊，成功構建76個光子的量子計算機「九章」，根據現有理論，它比「富嶽」快一百萬億倍。
一百萬億，就是1後面跟著足足14個0，這個巨大的數字讓人頭暈目眩。頂級學術期刊《科學》也在今天刊登了這一重磅成果，審稿人們的評價同樣難掩激動：「一個重大成就」、「一個最先進的實驗」。
我們在第一時間，求教了「九章」團隊核心成員、2019年「科學探索獎」獲獎人、中科大教授陸朝陽，只想搞清楚一個問題：「九章」，這個得名於中國古代最早數學專著《九章算術》的量子計算原型機，到底有多牛？
讓量子計算「秀出肌肉」
對「九章」的每一篇報導，都會提到一個詞「量子優越性」。有了「九章」，中國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家，也確立了國際量子計算研究中第一方陣的地位。
什麼是「量子優越性」？陸朝陽這樣告訴我們：「如果量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明量子計算在未來有多方超越的可能。」
或者說得再通俗一點。儘管理論勾勒出的美好前景令人神往，但量子計算還需要在現實中證明自己的實力。科學家們選擇了極端複雜的問題來考驗量子計算，讓它在實際應用中「秀出肌肉」。證明「量子優越性」，被認為是量子計算從理論到實踐「裡程碑式的轉折點」。
「我行。」這是「九章」給出的答案。如果將樣本擴大到100億個，「九章」只需要10小時，但超級計算機需要1200億年，而地球從誕生至今，只有約46億年。通過「九章」，量子計算的並行計算能力，全面碾壓了傳統計算機。這就是「量子優越性」，因為差距過於誇張，」量子優越性「甚至被稱為「量子霸權」。
和谷歌「懸鈴木」算一筆帳
當量子計算和傳統計算的差異如此之大，說明「九章」有多厲害，還得換一個維度。
和「九章」同臺競技的是谷歌的量子計算原型機「懸鈴木」。它們都被用來證明「量子優越性」，選擇解決的問題，大方向也都是量子採樣，「九章」主攻「高斯玻色採樣」，「懸鈴木」選擇「隨機線路採樣」。
懸鈴屠龍 號令天下 九章不出 誰與爭鋒（圖片來源：中國科學技術大學 USTC）
相比「懸鈴木」，「九章」有三大優勢：一是速度更快。雖然算的不是同一個數學問題，但與最快的超算等效比較，「九章」比「懸鈴木」快100億倍。二是環境適應性。由於採用超導體系，「懸鈴木」必須全程在零下273.12℃（30mK）的超低溫環境下運行，而「九章」除了探測部分需要零下269.12攝氏度的環境外，其他部分可以在室溫下運行。三是彌補了技術漏洞。「懸鈴木」只有在小樣本的情況下快於超算，「九章」在小樣本和大樣本上均快於超算。
陸朝陽接受央視新聞聯播採訪
陸朝陽說，「打個比方，就是谷歌的機器短跑可以跑贏超算，長跑跑不贏；我們的機器短跑和長跑都能跑贏。」
「九章」的輸出態空間（量子糾纏可能出現的狀態）達到了10的30次方，記錄這些狀態，用光世界上左右的內存、硬碟、光碟還不夠，「懸鈴木」的輸出態空間則是10的16次方，兩者相差十幾個數量級。」陸朝陽表示。
值得一提的是，量子計算走到今天，已然展現出了誘人的應用前景。基於「九章號」量子計算原型機的「高斯玻色取樣算法」在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用，將是後續發展的重要方向。
50匹馬和一根頭髮絲
「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。」陸朝陽對於「九章」實現難度的形容，讓人倒抽一口冷氣。
100模式相位穩定幹涉儀：光量子幹涉裝置高精度地鎖定任意兩路光束間的相位（攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓）
「從工作想法來說，『九章』的創新在於以壓縮態作為輸入來源，來做高斯玻色採樣，在具體實現方面，發展了四項關鍵性的技術。」陸朝陽介紹說。證明「量子優越性」不光要能計算，還要能出題，能測量。
「50匹馬和一根頭髮絲的比喻，是在形容我們達到的10的負9次方的鎖相精度，除此之外，我們還提供了國際上唯一一個具備高效率、高全同性、高亮度和大規模擴展能力的量子光源，構建起大規模、全聯通、通過率接近100%的矩陣相位，還能以非常高的效率來探測收集到的單光子，這其中每一項，都是一個很大的挑戰。」陸朝陽進一步解釋。
高品質光子源、高精度鎖相、規模化幹涉……一項項創新與突破，讓「九章」後來居上。
專用機？通用機？
「九章」的強悍實力，讓圍觀群眾很難不隨之聯想，「除了實現『量子優越性』，只能解決特定問題的『九章』還有什麼用？」再進一步，就像傳統計算機花了20多年，走過從專用到通用的歷程一樣，我們離通用量子計算機還有多遠？
「很多人對通用量子計算機，有非常強大的執念。」陸朝陽說，「其實我想告訴大家，如果我們能產生一些有實用價值的專用量子計算機，已經有很大的社會和商業價值，比如『九章』解決的，其實是數學問題，未來可以映射到製藥、材料設計等很多領域，每個問題的解決，可能都是個百億美元級別的產業。」
「九章」相當於76個量子比特，而通用量子計算機可能需要上千萬個量子比特。「過高的期望，隨之會產生大量的泡沫。」陸朝陽介紹說，「對於通用量子計算機，我們普遍認為，還需要15~20年的時間，每一個專用機，都是量子計算前進路上的墊腳石。只有一步一步走，沿途下蛋，才能保證量子計算領域的健康發展，避免『量子寒冬』的到來。」