“九章二號”144模式干涉儀（部分）實(shí)驗照片。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖
“九章”量子計算原型機模型。新華社發(fā)
“祖沖之二號”量子處理器。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖
日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)導的量子計算機研發(fā)團隊，來(lái)了個(gè)“雙黃蛋”——“祖沖之二號”和“九章二號”兩項科研成果同時(shí)發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。“祖沖之二號”構建了66比特可編程超導量子計算原型機，實(shí)現了對“量子隨機線(xiàn)路取樣”任務(wù)的快速求解；“九章二號”則再次刷新了國際上光量子操縱的技術(shù)水平，處理特定問(wèn)題的速度比經(jīng)典超級計算機快億億億倍，進(jìn)一步提供了量子計算加速的實(shí)驗證據。著(zhù)名量子物理學(xué)家、加拿大卡爾加里大學(xué)教授Barry Sanders撰寫(xiě)長(cháng)篇評述文章，稱(chēng)該工作是“令人激動(dòng)的實(shí)驗杰作”“令人印象深刻的最前沿的進(jìn)步”。中國，是目前世界上唯一在超導量子和光量子兩種物理體系達到“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。
量子計算的前世今生
物理學(xué)界認為，1981年5月是標志著(zhù)量子計算開(kāi)始的重要時(shí)刻。
那年的一場(chǎng)會(huì )議演講中，加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、1965年諾貝爾物理學(xué)獎得主理查德·費曼提出了兩個(gè)極具前瞻性的問(wèn)題：經(jīng)典計算機是否能夠有效地模擬量子系統？舍棄經(jīng)典的圖靈機模型而利用具有奇特性質(zhì)的量子材料，能否建造出模擬量子系統的計算機？
費曼的觀(guān)點(diǎn)影響了以后量子計算的發(fā)展，隨著(zhù)研究的不斷深入，人們越發(fā)意識到量子計算的重要意義——這是一種全新的計算模式，是對計算和信息本質(zhì)的深入探究和發(fā)現。
“量子計算機是用量子力學(xué)原理制造的計算機，目前還處于很初步的階段。相應的，現有的我們在用的計算機被稱(chēng)為經(jīng)典計算機。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗室副研究員袁嵐峰告訴記者，“電腦通過(guò)電路的開(kāi)和關(guān)進(jìn)行計算，而量子計算機則是以量子的狀態(tài)作為計算形式。”
我們日常使用的電腦，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會(huì )轉換成0和1，每個(gè)比特要么代表0，要么代表1，這些比特就是信息，然后再進(jìn)行傳輸、運算與存儲。正是因為這種0和1的“計算”過(guò)程，電腦才被稱(chēng)為“計算機”。
量子計算機的原理與傳統計算機完全不同，其理論依據是量子力學(xué)中的量子疊加原理施展并行計算的能力。“量子力學(xué)允許一個(gè)物體同時(shí)處于多種狀態(tài)。那么，在量子計算中，0和1同時(shí)存在，就意味著(zhù)很多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)完成。它的關(guān)鍵取決于觀(guān)測方法，因此具有超越經(jīng)典計算機的運算能力。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)說(shuō)，每個(gè)量子比特，不僅可以表示0或1，還可以表示成0和1分別乘以一個(gè)系數再疊加，隨著(zhù)系數的不同，這個(gè)疊加的形式可能性會(huì )很多很多。
“要了解量子計算機的能力，我們可以用‘走迷宮’為例來(lái)解釋。”陸朝陽(yáng)教授說(shuō)，傳統計算機走迷宮，每次只能選擇一條路去嘗試，如果失敗了，就只能從頭再來(lái)。
“但是量子計算機走迷宮，就好比同時(shí)有10個(gè)人一起嘗試不同的路，瞬間就把所有可能都嘗試一遍，很快就能找到那條正確的路。”陸朝陽(yáng)說(shuō)，因此，量子計算機完全突破了經(jīng)典計算機的限制，潛力無(wú)窮。
“例如，研發(fā)一款新藥往往需要數年，大量的時(shí)間都耗費在計算化學(xué)結構上。如果應用量子計算機研發(fā)新藥，就能極大地提高運算效率，說(shuō)不定人類(lèi)就能盡早研制出癌癥等不治之癥的‘解藥’。”中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室副主任、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭國平說(shuō)，現在人類(lèi)使用的最高端的密碼系統，比如銀行、保險、政府機構等，都是用極大質(zhì)數來(lái)加密——利用傳統計算機求解極大質(zhì)數的因數非常困難，需要幾十、甚至上百年時(shí)間，但是用量子計算機，破解這樣的密碼只需一眨眼的工夫。
但量子計算機與經(jīng)典計算機并非是替代的關(guān)系。袁嵐峰介紹，量子計算機只是對某些問(wèn)題超過(guò)經(jīng)典計算機。“有些問(wèn)題經(jīng)典計算機已經(jīng)算得很快了，如加減乘除，量子計算機對它們就沒(méi)有任何優(yōu)勢。”目前物理學(xué)界的普遍共識是，量子計算機不可能完全取代經(jīng)典計算機，只能在某些有特定難度的問(wèn)題上替代經(jīng)典計算機，實(shí)現量子加速。“量子計算機永遠都不會(huì )完全取代經(jīng)典計算機，兩者會(huì )各自在適合的場(chǎng)景使用。”
中國成果終結“量子優(yōu)越性”爭論
在衡量量子計算機的算力時(shí)，我們會(huì )反復提及一個(gè)術(shù)語(yǔ)：量子優(yōu)越性，也叫量子霸權。“量子計算機在某個(gè)問(wèn)題上超越現有的最強的經(jīng)典計算機，被稱(chēng)為‘量子優(yōu)越性’或者叫‘量子霸權’。”袁嵐峰解釋說(shuō)，“實(shí)際上，‘量子霸權’是一個(gè)科學(xué)術(shù)語(yǔ)，跟國際政治無(wú)關(guān)。”
根據科學(xué)家推算，一旦能夠操縱53個(gè)量子，量子計算機的算力就會(huì )超越傳統架構的超級計算機。目前人類(lèi)最強的超級計算機是日本的“富岳”，它由400臺計算機組成，每臺重兩噸，1秒鐘可以實(shí)現1.051京（京是比兆更大的單位，1京=1億×1億）次的計算。而量子計算機只需操縱53個(gè)量子比特就能超越“富岳”。
可見(jiàn)，只要人類(lèi)能夠操縱足夠多的量子比特，那么量子計算機1秒鐘的計算能力，就將完全碾壓人類(lèi)有史以來(lái)所有經(jīng)典計算機的算力之和。
然而，這只是一個(gè)理論推算。在很長(cháng)一段時(shí)間中，量子計算機是否能實(shí)現量子優(yōu)越性都是一個(gè)問(wèn)號——量子態(tài)脆弱而敏感，極易受到周?chē)h(huán)境噪聲的影響，在實(shí)際的物理體系中去建造一臺量子比特數足夠多、操控保真度足夠高的量子計算機，是一項嚴峻的挑戰。
2019年10月，在持續重金投入多年以后，谷歌宣布實(shí)現了“量子優(yōu)越性”——他們設計、構建了包含53個(gè)可用量子比特的可編程超導量子處理器，命名為“懸鈴木”。在隨機線(xiàn)路采樣這一特定任務(wù)上，“懸鈴木”展現出超過(guò)世界上最先進(jìn)超級計算機的能力。
中國科學(xué)家在取得量子信息傳輸領(lǐng)先地位的同時(shí)，也加緊了量子計算機的研發(fā)。
2020年12月，潘建偉、陸朝陽(yáng)等人組成的研究團隊設計、構建了76個(gè)光子的量子計算原型機“九章”，實(shí)現了高斯玻色采樣任務(wù)的快速求解。研究顯示，“九章”等效地比“懸鈴木”快一百億倍，這一成果使我國成為第二個(gè)實(shí)現“量子計算優(yōu)越性”的國家。
2021年5月，潘建偉院士團隊又成功研制出62比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，并實(shí)現可編程的二維量子行走。
如今，“九章”和“祖沖之”雙雙升級。
與“九章”相比，“九章二號”極大地提高了量子優(yōu)勢：對于高斯玻色采樣問(wèn)題，“九章”一分鐘完成的任務(wù)，超級計算機“富岳”需要花費一億年來(lái)解決；“九章二號”一毫秒可以解出的問(wèn)題，“富岳”需要算30萬(wàn)億年！最重要的是，“九章二號”還具有了部分可編程的能力。
“祖沖之二號”則通過(guò)操控其上的56個(gè)量子比特，在隨機線(xiàn)路采樣任務(wù)上實(shí)現了量子計算優(yōu)越性，所完成任務(wù)的難度比“懸鈴木”高2～3個(gè)數量級。
終于，量子計算機是否能實(shí)現“量子霸權”的問(wèn)題再無(wú)爭議——有專(zhuān)家認為：“兩個(gè)實(shí)驗性量子計算機解決了迄今最復雜的問(wèn)題，這意味著(zhù)是否能達到量子計算優(yōu)越性的爭論就此結束。”
“‘量子計算優(yōu)越性’不是一蹴而就的事情，它是量子計算和經(jīng)典計算的持續競爭。”郭國平解釋說(shuō)，經(jīng)典計算理論學(xué)家也會(huì )不斷努力、設計出更好的算法來(lái)挑戰量子計算機，量子物理學(xué)家則會(huì )不斷升級、設計新裝置，獲得更高的量子優(yōu)越性以使經(jīng)典計算愈發(fā)望塵莫及。“經(jīng)典計算和量子計算將相互促進(jìn)，共同加深我們對計算和信息本質(zhì)的理解。”
兩條技術(shù)路線(xiàn)均領(lǐng)先，中國量子計算的又一個(gè)開(kāi)始
憑借“九章”和“祖沖之”，中國科大團隊在多個(gè)不同物理體系中均實(shí)現了“量子優(yōu)越性”。而“九章二號”和“祖沖之二號”的問(wèn)世，則成了中國在量子計算機優(yōu)越性上的又一個(gè)里程碑。
實(shí)際上，早在今年6月，在經(jīng)歷嚴格的同行評議而正式發(fā)表之前，“祖沖之二號”“九章二號”的研究論文就提前公開(kāi)在預印本平臺上，并引起國內外學(xué)界、媒體以及普通民眾的廣泛關(guān)注和討論。
《科學(xué)美國人》雜志在上述論文公開(kāi)兩周后，刊登了題目為《新研究表明，中國在全球量子競賽中領(lǐng)先》的文章。文章指出：“2017年，當中國的科學(xué)家團隊從‘墨子號’衛星發(fā)射糾纏光子，進(jìn)行世界上第一次量子安全視頻通話(huà)時(shí)，專(zhuān)家們認為中國已經(jīng)在量子通信方面處于世界領(lǐng)先地位。而新研究（‘祖沖之二號’、‘九章二號’等工作）表明，中國的領(lǐng)先地位已經(jīng)擴展到量子計算領(lǐng)域。”
“九章”的出色表現，牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來(lái)實(shí)現可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問(wèn)題的規?；孔幽M機奠定了技術(shù)基礎。
如今，“九章二號”把光子數從原來(lái)的最多76升級到了最多113，由此導致對經(jīng)典計算機的優(yōu)勢從一百萬(wàn)億倍增加到了一億億億倍。
“祖沖之二號”相對于經(jīng)典計算機的優(yōu)勢是一千萬(wàn)倍。簡(jiǎn)單地說(shuō)，“九章二號”進(jìn)一步擴大了對經(jīng)典計算機的優(yōu)勢，而“祖沖之二號”則取得了這一技術(shù)路線(xiàn)的新的世界紀錄。
因此，我們可以宣告中國是世界上唯一一個(gè)在兩條技術(shù)路線(xiàn)上實(shí)現量子優(yōu)越性的國家。從這個(gè)意義上說(shuō)，中國的量子計算研究處于世界領(lǐng)先地位。
這一切，早有謀劃。
2019年9月15日，在安徽省合肥市舉辦的“新興量子技術(shù)國際會(huì )議”上，形成了《量子信息和量子技術(shù)白皮書(shū)（合肥宣言）》。國際專(zhuān)家在宣言中對量子計算的三個(gè)發(fā)展階段達成了共識：第一個(gè)階段是實(shí)現量子優(yōu)越性，即針對特定問(wèn)題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機；第二個(gè)階段是實(shí)現具有應用價(jià)值的專(zhuān)用量子模擬系統；第三個(gè)階段是實(shí)現可編程的通用量子計算機。
顯然，“九章”“祖沖之”都在向更高的階段努力。例如，“九章”將繼續探索在量子機器學(xué)習、量子化學(xué)等具有實(shí)際價(jià)值的問(wèn)題上的應用，而“祖沖之2.0”處理器是一種完全兼容量子糾錯的可拓展芯片架構，將繼續向量子糾錯和實(shí)現復雜量子算法邁進(jìn)。
“中國在光學(xué)和超導兩條技術(shù)路線(xiàn)都實(shí)現了量子計算優(yōu)越性，超越了美國。但這遠遠不是結束，而是開(kāi)始。”袁嵐峰說(shuō)。
編輯：薛姣
