九章，爭搶量子霸權

圖片來自 ICPhoto

量子計算「霸權」的爭奪仍在繼續，這次，輪到中國的科研團隊出牌。

據中新社 12 月 4 日從中國科學技術大學獲悉，該校中國科學院院士潘建偉、陸朝陽教授等組成的研究團隊與合作者成功構建了 76 個光子的量子計算原型機「九章」。根據現有理論，在「高斯玻色取樣」任務中，「九章」一分鐘完成的任務，超級計算機需要一億年。

「九章」的名字源於《九章算術》，是現存最早的中國古代數學著作之一，標誌著中國古代數學體系的形成，是中國古代數學體系的初期代表作，顯然，研發團隊對「九章」寄予厚望。

「九章」量子計算原型機光路系統原理圖

凌晨 3 點，「九章」相關論文也以 First Release 形式在線發表在 Science，宣布了中國科大在光量子計算方面實現了量子計算「霸權」，審稿人評價該工作是「一個最先進的實驗」「一個重大成就」。

所謂「量子霸權」（Quantum supremacy），更準確的翻譯是 「量子優勢」或「量子優越性」。跟傳統意義上的「霸權」沒關係，而是用來形容量子計算機相較於傳統計算機碾壓級別的計算能力優勢。如果量子計算機可以解決經典計算機上無法解決的問題，不論這項任務本身是什麼，是否有實際的意義，那麼就代表實現了「量子霸權」。

去年 9 月，Google 宣布其已經建造了第一臺量子計算機，這款量子計算機展現出來的算力優勢相當恐怖，可以在 3 分 20 秒內完成對特定任務的計算，而目前世界排名第一的超級計算機「Summit」需要大約一萬年的時間。

而九章更甚，將量子計算 3 分鐘與傳統超算一萬年的對比，升級到了一分鐘與一億年的對比，同時，這也是中國的科研團隊第一次實現「量子優越性」，也是繼美國之後第二個實現的國家。

此量子計算，非彼量子計算

九章取得的進展令人欣喜，但第一個需要明確的點是，九章不是「量子計算機」。如果你留意相關報導，會發現對於九章的描述都是「量子計算原型機」。

其中的區別是，九章隸屬的光量子計算機，本身就是用來計算「高斯玻色採樣」的實驗設備，它只能幹這件事，不具備泛用性。潘建偉院士此前曾表示，通用量子計算機問世可能還需要 15～30 年的時間。眼下乃至未來很長的一段時間內，量子計算只能作為傳統計算機的輔助。

光量子計算機，即操縱光量子比特的原型機，以光子作為載體。量子通用計算機還太遙遠，要想衡量原型機的性能，就需要引入新的評價標準，即特定的實驗場景，而光量子計算機擅長的這個實驗，就是高斯玻色採樣。

這是一塊「高爾頓板」，理論上，一個小球從上方的入口掉入後，遇到每一個釘板的「路後」後向左和向右有 1/2 的概率，經過若干個釘板後，進入下方的凹槽。這實際上是一個統計學問題，根據中心極限定理，當小球足夠大時，小球落入凹槽的分布近似於正態分布。

而「高斯玻色取樣」是量子世界中的高爾頓板。潘建偉院士發起、由中國科學技術大學主辦的論壇「墨子沙龍」中對於這個實驗有過相關解釋：

當 n 個全同玻色子經過一個幹涉儀（線性變換器）之後，求特定分布的輸出概率。例如，在一個7進7出幹涉儀的1、2、3口同時輸出3個全同玻色子，求3個光子在2、3、5口各輸出一個光子的分布概率。由於量子的特性，導致求解步數與計算難度指數級別增長。

而光量子計算機在這個項目上可以秒殺傳統超算，也因此實現了「量子優越性」。

中科大官方表示：

根據目前最優的經典算法，「九章」對於處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機「富嶽」快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發布的53比特量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍。同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優越性不依賴於樣本數量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴於樣本數量的漏洞。「九章」輸出量子態空間規模達到了1030（「懸鈴木」輸出量子態空間規模是1016，目前全世界的存儲容量是1022）。

九章是一個持續迭代的項目。

2017 年 5 月，潘建偉院士及其同事陸朝陽、朱曉波等，聯合浙江大學王浩華教授研究組，宣布在去年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上，利用高品質量子點單光子源構建了世界首臺超越早期經典計算機的單光子量子計算機，50 量子位。

在超導體系，研究團隊打破了之前由谷歌、NASA和UCSB公開報導的九個超導量子比特的操縱，將超導量子比特的操縱提升到十個，實現了目前世界上最大數目超導量子比特的糾纏，並在超導量子處理器上實現了快速求解線性方程組的量子算法。

2019 年 8 月 12 日，該團隊開發出具有 20 個超導量子比特的量子晶片，並成功實現對其操控及全局糾纏。

今年 9 月 14 日，潘建偉院士在演講上向公眾透露光量子計算最新進展，剛剛完成了對50個光子的玻色取樣，年內將實現 60 比特量子計算系統，將超越谷歌實現的 53 比特量子計算水平。

最終的成果還要更樂觀，年底最終實現了 76 量子位的計算原型機，76 這個指標全球第一。

「九章」部分特寫

但需要明確的是，Google 去年的「Sycamore」是超導量子，而科大用的是光量子平臺，兩個平臺是完全不同的體系，用來衡量的「尺子」也不同，Sycamore 可以通過編程模擬多種任務，而九章更專，無法直接比較誰更為領先。

「霸權」仍在爭奪

儘管九章只針對特定問題，仍有理由為九章起立喝彩，它代表了我國在量子計算方面的大力投入，以及階段性的成果。在光量子方面，我國科研團隊已經在國際上處於領先地位。

「九章」部分特寫

量子計算也被放到了很高的優先級上。今年 10 月中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習，習近平在主持學習時發表了講話。他指出，近年來，量子科技發展突飛猛進，成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域。加快發展量子科技，對促進高質量發展、保障國家安全具有非常重要的作用。

2017 年，潘建偉院士曾表示「量子計算機可以實用化，未來全世界會有很多臺，但不需要家家都有。」當量子計算機實用化以後，將能解決密碼分析、氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探、人工智慧、大數據等領域內的難題。

不過要明確的是，量子計算機還遠遠沒到沒到可以談大規模落地的階段，中科大的文章中也明確「九章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」。

研究類似量子計算這種前沿科學，人多錢多，是必不可少的要素。能持續投入研究的國家，一個手就能數得過來。對於還在賽馬階段的技術來說，跑得快就是應用，最重要的任務就是爭搶技術高地。從這個角度來看，九章出色地完成了任務，它爭奪的，是未來的話語權。

和國內不同的是，在國外，量子計算是科技公司們廝殺的新領域。英特爾、Google、IBM 等科技公司都在競相投入。Google 去年的 Sycamore 算是搶了個先，IBM 的量子計算機 Q System One 也在各大展會上亮過相，還通過雲向外開放計算能力。

也是在今天，英特爾在其研究院開放日上，公布了量子計算方面的新進展，宣布推出第二代低溫控制晶片 Horse Ridge II，支持增強的功能和更高集成度，新功能包括操縱和讀取量子位狀態的能力，以及多個量子位糾纏所需的多個量子門的控制能力。

量子計算仍是通往未來世界的一把鑰匙，有國家的科研力量帶頭，也希望國內的科技公司能夠參與進來，投入資金和人力進行研發，共同推進量子計算的建設。