都市快報訊 在一個特定賽道上，200秒的「量子算力」，相當於目前「最強超算」6億年的計算能力。12月4日，《科學》雜誌公布了中國「九章」的重大突破。
這臺由中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等學者研製的76個光子的量子計算原型機，是第一臺實現「量子優越性」的光量子計算機，推動全球量子計算的前沿研究達到一個新高度。儘管距離實際應用仍有漫漫長路，但成功實現了「量子計算優越性」的裡程碑式突破。
什麼是「量子優越性」？
量子優越性，是指在某個特定問題上，量子計算機的計算能力遠超傳統計算機。
傳統計算機將所有數據存儲為0或1，而量子計算機利用量子力學的原理，可以允許一個物體同時處於多種狀態，實行「並行計算」。正是因為這種能力，科學家認為，面對未來量子計算機可能擁有的計算能力，傳統計算機將望塵莫及。
去年9月，美國谷歌公司宣布研製出53個量子比特的計算機「懸鈴木」，對一個數學問題的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機「頂峰」需要1萬年，因此他們在全球首次實現了「量子優越性」。
谷歌公司執行長孫達爾·皮柴說，此次成果在量子計算發展史上的地位，可媲美飛行史上萊特兄弟發明飛機時成功的12秒首次試飛。
「高斯玻色採樣」又是什麼？
「九章」求解的問題名叫「高斯玻色採樣」。它是一個計算概率分布的算法，可用於編碼和求解多種問題。
這有點像是小時候玩過的遊戲——高爾頓板。小球從上端的口落下，每經過一個釘板，都有一半的可能從左邊走，一半的可能從右邊走，最後，當很多小球扔下去後，下面格子裡的小球分布會呈現一定的統計規律。
高斯玻色採樣就是量子版本的高爾頓板，實際情況更為複雜，非常適合量子計算機來解決。小球變成了光子，釘板變成了分束器，若干個光子進入網格之後，經過分束器組成的幹涉儀，最終分別在哪些出口被探測到，記錄下來，就是一個採樣。積累之後，光子數也會有一個分布。每一種採樣結果都對應一個概率。全部可能的採樣結果就構成輸出態的態空間。
實驗顯示，當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，「九章」只需200秒，而目前世界最快的傳統超級計算機「富嶽」需6億年。
既然谷歌已實現「量子優越性」
那麼「九章」的意義在哪裡？
就在谷歌公司宣布實現「量子優越性」後，傳統計算機「頂峰」的研發者IBM公司表示質疑。他們認為，谷歌在用傳統計算機模擬時優化水平不夠。按照IBM公司的計算，傳統計算機只需要2.5天，也可以得出與「懸鈴木」同樣的計算結果。這種質疑獲得了業界認同。
潘建偉團隊表示，「量子優越性」實驗並非一蹴而就的工作，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，但最終量子計算機會產生傳統計算機無法企及的算力。
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。「懸鈴木」需要零下273.12攝氏度的運行環境，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。
「量子計算」距離普通人還有多遠？
當前，量子計算已成為全球各國競相角逐的焦點。比如近期，歐盟宣布擬投資80億歐元，研究量子計算等新一代算力技術。
「量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力，可望通過特定算法在密碼破譯、大數據優化、天氣預報、材料設計、藥物分析等領域，提供比傳統計算機更強的算力支持。」潘建偉說，下一步，團隊將在光子、超導、冷原子等多條技術線路上推進研究。
2019年，提出「量子優越性」概念的物理學家約翰·裴斯基撰文評論谷歌公司的成果。他最初提出「量子優越性」時就問過，大規模量子計算究竟是非常非常困難，還是不可思議地困難？前者意味著還有幾十年的路要走，後者意味著可能還要幾百年。谷歌的成果讓他相信，人類距離量子計算大規模應用已經不遠。
如今，「九章」取得的成果或許更能讓他確信這一點了。
有關「九章」的趣知識
潘建偉、陸朝陽都是浙江東陽人。論文第一作者多為90後，最小的出生於1997年。
取名「九章」，是為了紀念中國古代著名數學專著《九章算術》。
團隊需要攻克的難點之一是高品質量子光源。「比如，我們每次喝下一口水很容易，但要每次喝下一個水分子非常困難。」陸朝陽解釋說，高品質光源要保證每次只「放出」1個光子，且每個光子要一模一樣，這是巨大挑戰。同時，鎖相精度要控制在10的負9次方以內，相當於傳輸100公裡距離，偏差不能超過1根頭髮絲的直徑。
為了核驗「九章」算得「準不準」，團隊使用超級計算機驗證計算結果，電費貴得驚人。計算40個光子時需要電費200萬元，41個光子需要400萬元，42個光子需要800萬元，推算下去將是天文數字。
美國德克薩斯州大學奧斯汀分校教授斯科特·亞倫森參與了同行評議。對於最初提交的超算模擬30個光子的結論，亞倫森不太滿意。正是他提出建議：能不能跑到40個光子以上？幾周後，他得到回覆——超算驗證40個光子時，花銷已超過40萬美元（約合260萬元人民幣），團隊決定叫停。亞倫森說，這是我寫過最貴的同行評議！