我國量子計算機實現算力全球第一!

2020年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，200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。這一突破使中國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。12月4日，國際學術期刊《科學》發表了該成果，審稿人評價這是「一個最先進的實驗」「一個重大成就」。

「量子優越性像個門檻，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明其未來有多方超越的可能。」中科大教授陸朝陽說，多年來國際學界高度關注、期待這個裡程碑式轉折點到來。

去年9月，美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機「懸鈴木」，對一個數學算法的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機「頂峰」需2天，實現了「量子優越性」。

近期，潘建偉團隊與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」。

實驗顯示，當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，「九章」需200秒，而目前世界最快的超級計算機「富嶽」需6億年。等效來看，「九章」的計算速度比「懸鈴木」快100億倍，並彌補了「懸鈴木」依賴樣本數量的技術漏洞。

據悉，潘建偉團隊這次突破歷經20年，主要攻克高品質光子源、高精度鎖相、規模化幹涉三大技術難題。

「比如說，我們每次喝下一口水很容易，但每次喝下一個水分子很困難。」潘建偉說，光子源要保證每次只放出1個光子，且每個光子一模一樣，這是巨大挑戰。同時，鎖相精度要在10的負9次方以內，相當於100公裡距離的傳輸誤差不能超過一根頭髮直徑。

與通用計算機相比，「九章」還只是「單項冠軍」。但其超強算力，在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。

12月4日，國際學術期刊《科學》發表了該成果，審稿人評價這是「一個最先進的實驗」「一個重大成就」。

量子計算機，簡單地說，它是一種可以實現量子計算的機器，是一種通過量子力學規律以實現數學和邏輯運算，處理和儲存信息能力的系統。它以量子態為記憶單元和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，在量子計算機中其硬體的各種元件的尺寸達到原子或分子的量級。量子計算機是一個物理系統，它能存儲和處理關於量子力學變量的信息。

如同傳統計算機是通過集成電路中電路的通斷來實現0、1之間的區分，其基本單元為矽晶片一樣，量子計算機也有著自己的基本單位——昆比特（qubit）。昆比特又稱量子比特，它通過量子的兩態的量子力學體系來表示0或1。比如光子的兩個正交的偏振方向，磁場中電子的自旋方向，或核自旋的兩個方向，原子中量子處在的兩個不同能級，或任何量子系統的空間模式等。量子計算的原理就是將量子力學系統中量子態進行演化結果。

量子計算機擁有強大的量子信息處理能力，對於目前多變的信息，能夠從中提取有效的信息進行加工處理使之成為新的有用的信息。量子信息的處理先需要對量子計算機進行儲存處理，之後再對所給的信息進行量子分析。運用這種方式能準確預測天氣狀況，目前計算機預測的天氣狀況的準確率達75%，但是運用量子計算機進行預測，準確率能進一步上升，更加方便人們的出行。

目前的計算機通常會受到病毒的攻擊，直接導致電腦癱瘓，還會導致個人信息被竊取，但是量子計算機由於具有不可克隆的量子原理這些問題不會存在，在用戶使用量子計算機時能夠放心地上網，不用害怕個人信息洩露。另一方面，量子計算機擁有強大的計算能力，能夠同時分析大量不同的數據，所以在金融方面能夠準確分析金融走勢，在避免金融危機方面起到很大的作用；在生物化學的研究方面也能夠發揮很大的作用，可以模擬新的藥物的成分，更加精確地研製藥物和化學用品，這樣就能夠保證藥物的成本和藥物的藥性。

量子計算機理論上具有模擬任意自然系統的能力，同時也是發展人工智慧的關鍵。由於量子計算機在並行運算上的強大能力，使它有能力快速完成經典計算機無法完成的計算。這種優勢在加密和破譯等領域有著巨大的應用。

（1）天氣預報：如果我們使用量子計算機在同一時間對於所有的信息進行分析，並得出結果，那麼我們就可以得知天氣變化的精確走向，從而避免大量的經濟損失。

（2）藥物研製：量子計算機對於研製新的藥物也有著極大的優勢，量子計算機能描繪出萬億計的分子組成，並且選擇出其中最有可能的方法，這將提高人們發明新型藥物的速度，並且能夠更個性化的對於藥理進行分析。

（3）交通調度：量子計算機可以根據現有的交通狀況預測交通狀況，完成深度的分析，進行交通調度和優化。

（4）保密通信：不僅僅是對於我們生活相近的方面，量子計算機對於加密通信由於其不可克隆原理，將會使得入侵者不能再不被發現的情況下進行破譯和竊聽，這是量子計算機本身的性質決定的。

量子計算機最主要的幾個難點：

1、量子消相干

量子計算的相干性是量子並行運算的精髓，但在實際情況下，量子比特會受到外界環境的作用與影響，從而產生量子糾纏。量子相干性極易受到量子糾纏的幹擾，導致量子相干性降低，也就是所謂的消相干現象。實際的應用中，無法避免量子比特與外界的接觸，量子的相干性也就不易得到保持。所以，量子消相干問題是目前需要解決的重要問題之一，它的解決將在一定程度上影響著量子計算機未來的發展道路。

2、量子糾纏

量子作為最小的顆粒，遵守量子糾纏規律。即使在空間上，量子之間可能是分開的，但是量子間的相互影響是無法避免的。介於此，量子糾纏技術被聯想到量子信息的傳遞領域。在一定意義上，利用量子之間飛快的交流速度從而實現信息的傳遞。

3、量子並行計算

量子計算機獨特的並行計算是經典計算機無法比擬的重要的一點。同樣是一個n位的存儲器，經典計算機存儲的結果只有一個。但是量子計算機存儲的結果可達2n。其並行計算不僅在存儲容量上遠超越了後者，而且讀取速度快，多個讀取和計算可同時進行。正是量子並行計算的重要性，它的有效應用也成為了量子計算機發展的關鍵之一。

4、量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子態不存在複製的過程，既然要保持量子態不變，則不存在量子的測量，也就無法實現複製。對於量子計算機來說，無法實現經典計算機的糾錯應用以及複製功能。

20世紀80年代初期，Benioff首先提出了量子計算的思想，他設計一臺可執行的、有經典類比的量子Turing機——量子計算機的雛形。

1982年，Feynman發展了Benioff的設想，提出量子計算機可以模擬其他量子系統。為了仿真模擬量子力學系統，Feynman提出了按照量子力學規律工作計算機的概念，這被認為是最早量子計算機的思想。