光量子幹涉示意圖。新華社發
12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這臺量子計算原型機，推動全球量子計算的前沿研究達到一個新高度，使我國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。
「九章」優勝在何處？「算力革命」走向何方？很多人在驚嘆這一重大科研成果的同時，也希望更進一步了解其中的原理、成果的意義、量子計算機的應用前景。
什麼是量子計算機
量子計算機是計算機嗎？
首先，用一句話來概括什麼是量子計算機：量子計算機是一種使用量子力學的計算機，它能比普通計算機更高效地執行某些特定的計算。
所以說，量子計算機是一種計算機，但它不是簡單的「進階版」計算機。量子計算機和我們現在所理解的「電腦」差別很大，它是以量子狀態作為計算形式的。
「目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子，這次的『九章』使用的是光子。」河北大學物理科學與技術學院副教授肖勇說。
200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。
「九章」量子計算機是如何通過量子計算達到「超快」的計算速度的？
我們日常用的電腦，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裡都會轉換成1和0（在電路中則表達為「開」和「關」），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」。
「傳統計算機只有0或1兩種選擇，而量子計算機使用的粒子則能夠同時處於多種狀態。」肖勇介紹，以光子為例，光除了亮與滅，其本身有著不同的偏振態，這種偏振態可以表示除了0與1之外的多組信息，量子計算機因而能夠同時承載更多內容。普通的計算機單元一次只能處理一個數據，稱之為1個比特；量子計算機則可以一次處理1個「量子比特」，這不僅是0和1的狀態，而是一種疊加態，可以簡單認為這是包含了多個數據，從而使處理速度大大提升。「簡單來說，量子計算機每個單位儲存的信息更多。」
當然，量子計算機不光有強大的儲存能力，它的並行計算的能力也十分強大。
專家舉例，假設有一個黑盒子，左邊伸出1000根電線頭，右邊也伸出1000根電線頭，但其實只有1根電線是連通的，想要找到這根連通的電線，就需要嘗試1000×1000次，也就是要100萬次才能找到答案。
但如果用量子計算機，解決這個問題就簡單多了。
「量子比特的存儲是所有可能的數字疊加在一起存儲的。那麼從1到1000，其實就只是一組量子比特而已。」專家解釋，也就是說，只需要一次計算，量子計算機就可以同時把所有的可能都考慮進去。它能一次性地找到那根連通的電線，通過並行計算，實現了100萬倍的效率提升。
因此，在某些問題上，量子計算機有更大的優勢。「比如，上學的時候我們學過質因數分解，就像6可以分解為2和3兩個質數；但如果數字很大，質因數分解就是一個很難的數學問題。1994年，為了分解一個129位的大數，科學家同時動用了1600臺高端計算機，花了8個月的時間才分解成功。」肖勇說，而量子計算機理論上只需1秒鐘就可以破解。
那麼，量子計算機需要像普通計算機一樣安裝系統嗎？
中國科學技術大學林梅教授曾在公開報導中介紹，量子計算機本身就是一套「系統」，獨立的光學組件提供了硬體，複雜的光路結構則決定了它的「算法」。例如，以光子作為量子比特的量子計算機，需要能夠產生光子的單光子源，能夠改變光子狀態、完成「算法」的特定光路結構，還需要單光子探測器對光子的最終狀態進行觀測。
據了解，對於量子計算機的控制，仍然需要通過普通電腦進行信息的輸入和輸出。工作人員需要在普通電腦上輸入初始數據，數據在量子計算機控制系統中進行複雜的轉換和運算，最後得到的結果會再傳輸回工作人員的普通電腦上。
「九章」攻擂「懸鈴木」
「九章」的厲害之處在哪兒？
2019年，谷歌宣布率先實現「量子霸權」。根據谷歌的論文，該團隊將其量子計算機命名為「懸鈴木」，處理的問題大致可以理解為「判斷一個量子隨機數發生器是否真的隨機」。
「懸鈴木」包含53個量子比特的晶片，僅需花200秒就能對一個量子線路取樣一百萬次，而相同的運算量在當今世界最大的超級計算機Summit上則需要1萬年才能完成。
200秒之於一萬年，如果這是雙方的最佳表現，那意味著量子計算對於超級計算具有壓倒性優勢。因此，這項工作也被認為是人類歷史上首次在實驗環境中驗證了量子優越性，具有裡程碑意義。
何為量子優越性？肖勇表示，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。通俗來講，就是用極端複雜的問題來考驗量子計算，讓它在實際應用中證明自己的實力。多年來，國際學界一直高度關注。
而「九章」讓中國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家，並且在「懸鈴木」的基礎上又更進了一步。
之所以這麼說，是因為「懸鈴木」量子優越性的實現是有前提的——它依賴其樣本數量。
「雖然採集100萬個樣本時，『懸鈴木』僅需要200秒，量子計算相比於超級計算機有優越性。但如果採集100億個樣本的話，經典計算機就比『懸鈴木』快很多。」有專家表示，在這樣的條件下，量子計算就會喪失優越性。
「懸鈴木」針對的是一種叫作「隨機線路採樣（Random Circuit Sampling）」的任務，而很長一段時間裡，量子計算機的優越性都只針對特定任務。
「一般來說，選取這種特定任務的時候，需要經過精心考量，該任務最好比較適合已有的量子體系，同時對於經典計算來說很難模擬。」專家說，這意味著，量子計算機並不是對所有的問題都超過經典計算機，而是只對某些特定的問題超過經典計算機，因其對這些特定的問題設計出高效的量子算法。對於沒有量子算法的問題，量子計算機則不具有優勢。
而這也是「九章」創造性突破所在。
「九章」所解決的高斯玻色採樣問題，其量子計算優越性不依賴於樣本數量。從等效速度來看，「九章」在同樣的賽道上，比「懸鈴木」還快了一百億倍。「九章」二次演示的「量子霸權」不僅證明了原理，更有跡象表明，「高斯玻色取樣」可能有實際用途，例如解決量子化學和數學領域中的專門問題。更廣泛地說，掌握控制作為量子比特的光子的能力是構建任何大規模量子網際網路的先決條件。
此外，在態空間方面，「九章」也以輸出量子態空間規模達到1030的優勢遠遠優於「懸鈴木」。「『九章』的出色表現，讓我國在國際量子計算研究中進入第一方陣，是量子計算領域的一個重大成就。」肖勇表示。
距離實用還有多遠
量子計算機能不能處理有實用價值的問題？答案是：能。
「例如之前提到的因數分解，因數分解的困難性是現在最常用的密碼體系RSA的基礎，所以量子計算機能快速進行因數分解，也就意味著量子計算機能快速破解密碼。」但肖勇也表示，現有的量子計算機只能分解很小的數，還不足以破解實用的密碼。
目前，國際主流觀點認為，量子計算機的發展將有三個階段：第一階段，研製50個到100個量子比特的專用量子計算機，實現「量子優越性」裡程碑式突破。第二階段，研製可操縱數百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題，比如量子化學、新材料設計、優化算法等。第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力，研製可編程的通用量子計算原型機。
「九章」還處在第一階段，但在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。「展望未來，如果通用量子計算機得到了廣泛應用，那麼各個行業——醫療、農業生產、工業生產、人工智慧，整個社會方方面面都會受到量子技術的影響。」肖勇說。
醫療方面，生產新藥物的速度會大大提高。肖勇解釋，這是因為新藥製造需要計算機模擬哪個配方是最有效的，使用電子計算機模擬非常慢，但量子計算機很快就能計算出來。
人工智慧方面，無人駕駛汽車傳感器處理的速度會更快，性能也會提高。
農業方面，量子計算機問世後，可以解釋光合作用是怎麼回事。有科學家預言，如果這個應用研究成功了，太陽能的利用率會從現有的10%提高到20%—30%，農業會發生跳躍式發展。
「在初級階段，量子計算追求的是原理上的可行、實驗上的實現、計算效率的超越。這個階段的量子計算，可能就像1814年的火車，和1903年的飛機一樣，那時候火車連馬車的速度都趕不上，飛機只能在天上堅持飛1分鐘，但是它們的科學意義遠遠大於其實用價值。」肖勇說，不管量子計算機現在有多麼初級，總有一天，它會像曾經的火車和飛機一樣，一步一步向我們走來。也許將來，我們能夠用光學實現真正強大的量子計算機，也就是可編程的、能處理很多有實用價值問題的量子計算機。（河北日報記者王璐丹）
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