九章——踏破量子優(yōu)越性

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功研制出量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，它求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200秒，比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍。這一突破使我國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。那量子計(jì)算機(jī)是什么？這一突破又意味著什么呢？

一、什么是量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是一種運(yùn)行規(guī)律遵循量子力學(xué)，能夠進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。它以量子比特為基本運(yùn)行單元，有別于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能處于０或１的二進(jìn)制狀態(tài)，可同時(shí)處在多個(gè)狀態(tài)，從而具有比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更加強(qiáng)大的并行計(jì)算能力。它的計(jì)算應(yīng)用了量子世界的特性，如疊加性、非局域性和不可克隆性等，因此天然地具有并行計(jì)算的能力，可以將某些在電子計(jì)算機(jī)上呈指數(shù)增長(zhǎng)復(fù)雜度的問題變?yōu)槎囗?xiàng)式增長(zhǎng)復(fù)雜度問題，即某些對(duì)電子計(jì)算機(jī)來說難解的問題，在量子計(jì)算機(jī)上就可變成易解的問題。量子計(jì)算機(jī)的誕生將為人類社會(huì)提供具有強(qiáng)大無比運(yùn)算能力的新型信息處理工具，因此它被稱之為影響未來的顛覆性技術(shù)。

二、什么是量子優(yōu)越性

量子計(jì)算研究被分為三個(gè)階段目標(biāo)，分別是量子計(jì)算優(yōu)越性；研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)和研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。其中第一個(gè)階段目標(biāo)“量子優(yōu)越性”是指作為新生事物的量子計(jì)算機(jī)，一旦在某個(gè)問題上的計(jì)算能力超過了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，就證明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，跨過了未來多方面超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的門檻。

三、九章量子計(jì)算機(jī)又是什么

九章量子計(jì)算機(jī)是中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)通過對(duì)量子光源、量子干涉、單光子探測(cè)器等領(lǐng)域進(jìn)行自主創(chuàng)新，成功構(gòu)建出的76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)。為了紀(jì)念中國(guó)古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》，這臺(tái)原型機(jī)被命名為“九章”。根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快100萬億倍，比去年谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快100億倍，使得我國(guó)成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑：量子優(yōu)越性。

四、量子計(jì)算機(jī)發(fā)展到什么階段了？有什么價(jià)值？

“九章”量子計(jì)算原型機(jī)的誕生使我國(guó)成功邁入國(guó)際量子計(jì)算研究中的第一方陣，為未來實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著計(jì)算能力的進(jìn)一步提升，量子計(jì)算機(jī)將有望在密碼破譯、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等具有實(shí)用價(jià)值的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但目前，無論是谷歌量子計(jì)算原型機(jī)處理“隨機(jī)線路取樣”，還是“九章”求解“高斯玻色取樣”，都只能用來解決某個(gè)特定問題。未來量子計(jì)算機(jī)的突破，還要依賴于新材料在量子計(jì)算硬件上的創(chuàng)新。只有研制出可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)，才能用以解決一些應(yīng)用非常廣泛的問題。

參考資料：

[1]我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性” 計(jì)算速度指數(shù)級(jí)增加.央視網(wǎng).2020.12.4

[2]最快！我國(guó)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)算力全球領(lǐng)先.新華社.2020.12.4

[3]郭光燦,陳以鵬,王琴.量子計(jì)算機(jī)研究進(jìn)展[J/OL].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020(05):1-8[2020-12-12].

[4]中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)新聞網(wǎng).2020.12.4

[5]中國(guó)量子計(jì)算原型機(jī)“九章”問世 問鼎全球最快計(jì)算機(jī).央廣網(wǎng).2020.12.5

[6]我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”.中國(guó)青年報(bào).2020.12.7.

[7]創(chuàng)新主動(dòng)權(quán)必須牢牢掌握在自己手中.北京青年報(bào).2020.12.7