“九章二號”144模式干涉儀（部分）實驗照片。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(dǎo)的量子計算機研發(fā)團隊，來了個“雙黃蛋”——“祖沖之二號”和“九章二號”兩項科研成果同時發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上。“祖沖之二號”構(gòu)建了66比特可編程超導(dǎo)量子計算原型機，實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣”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，處理特定問題的速度比經(jīng)典超級計算機快億億億倍，進一步提供了量子計算加速的實驗證據(jù)。著名量子物理學(xué)家、加拿大卡爾加里大學(xué)教授Barry Sanders撰寫長篇評述文章，稱該工作是“令人激動的實驗杰作”“令人印象深刻的最前沿的進步”。中國，是目前世界上唯一在超導(dǎo)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(biāo)志著量子計算開始的重要時刻。
那年的一場會議演講中，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·費曼提出了兩個極具前瞻性的問題：經(jīng)典計算機是否能夠有效地模擬量子系統(tǒng)？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(tǒng)的計算機？
費曼的觀點影響了以后量子計算的發(fā)展，隨著研究的不斷深入，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(xiàn)。
“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(yīng)的，現(xiàn)有的我們在用的計算機被稱為經(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)國家實驗室副研究員袁嵐峰告訴記者，“電腦通過電路的開和關(guān)進行計算，而量子計算機則是以量子的狀態(tài)作為計算形式。”
我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔X，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轉(zhuǎn)換成0和1，每個比特要么代表0，要么代表1，這些比特就是信息，然后再進行傳輸、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”。
量子計算機的原理與傳統(tǒng)計算機完全不同，其理論依據(jù)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)允許一個物體同時處于多種狀態(tài)。那么，在量子計算中，0和1同時存在，就意味著很多個任務(wù)可以同時完成。它的關(guān)鍵取決于觀測方法，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)教授陸朝陽說，每個量子比特，不僅可以表示0或1，還可以表示成0和1分別乘以一個系數(shù)再疊加，隨著系數(shù)的不同，這個疊加的形式可能性會很多很多。
“要了解量子計算機的能力，我們可以用‘走迷宮’為例來解釋。”陸朝陽教授說，傳統(tǒng)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。
“但是量子計算機走迷宮，就好比同時有10個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。”陸朝陽說，因此，量子計算機完全突破了經(jīng)典計算機的限制，潛力無窮。
“例如，研發(fā)一款新藥往往需要數(shù)年，大量的時間都耗費在計算化學(xué)結(jié)構(gòu)上。如果應(yīng)用量子計算機研發(fā)新藥，就能極大地提高運算效率，說不定人類就能盡早研制出癌癥等不治之癥的‘解藥’。”中國科學(xué)院量子信息重點實驗室副主任、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭國平說，現(xiàn)在人類使用的最高端的密碼系統(tǒng)，比如銀行、保險、政府機構(gòu)等，都是用極大質(zhì)數(shù)來加密——利用傳統(tǒng)計算機求解極大質(zhì)數(shù)的因數(shù)非常困難，需要幾十、甚至上百年時間，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題超過經(jīng)典計算機。“有些問題經(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題上替代經(jīng)典計算機，實現(xiàn)量子加速。“量子計算機永遠都不會完全取代經(jīng)典計算機，兩者會各自在適合的場景使用。”
中國成果終結(jié)“量子優(yōu)越性”爭論
在衡量量子計算機的算力時，我們會反復(fù)提及一個術(shù)語：量子優(yōu)越性，也叫量子霸權(quán)。“量子計算機在某個問題上超越現(xiàn)有的最強的經(jīng)典計算機，被稱為‘量子優(yōu)越性’或者叫‘量子霸權(quán)’。”袁嵐峰解釋說，“實際上，‘量子霸權(quán)’是一個科學(xué)術(shù)語，跟國際政治無關(guān)。”
根據(jù)科學(xué)家推算，一旦能夠操縱53個量子，量子計算機的算力就會超越傳統(tǒng)架構(gòu)的超級計算機。目前人類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秒鐘可以實現(xiàn)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個量子比特就能超越“富岳”。
可見，只要人類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，就將完全碾壓人類有史以來所有經(jīng)典計算機的算力之和。
然而，這只是一個理論推算。在很長一段時間中，量子計算機是否能實現(xiàn)量子優(yōu)越性都是一個問號——量子態(tài)脆弱而敏感，極易受到周圍環(huán)境噪聲的影響，在實際的物理體系中去建造一臺量子比特數(shù)足夠多、操控保真度足夠高的量子計算機，是一項嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
2019年10月，在持續(xù)重金投入多年以后，谷歌宣布實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”——他們設(shè)計、構(gòu)建了包含53個可用量子比特的可編程超導(dǎo)量子處理器，命名為“懸鈴木”。在隨機線路采樣這一特定任務(wù)上，“懸鈴木”展現(xiàn)出超過世界上最先進超級計算機的能力。
中國科學(xué)家在取得量子信息傳輸領(lǐng)先地位的同時，也加緊了量子計算機的研發(fā)。
2020年12月，潘建偉、陸朝陽等人組成的研究團隊設(shè)計、構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)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實現(xiàn)“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(dǎo)量子計算原型機“祖沖之號”，并實現(xiàn)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”需要花費一億年來解決；“九章二號”一毫秒可以解出的問題，“富岳”需要算30萬億年！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”則通過操控其上的56個量子比特，在隨機線路采樣任務(wù)上實現(xiàn)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個數(shù)量級。
終于，量子計算機是否能實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的問題再無爭議——有專家認為：“兩個實驗性量子計算機解決了迄今最復(fù)雜的問題，這意味著是否能達到量子計算優(yōu)越性的爭論就此結(jié)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(xù)競爭。”郭國平解釋說，經(jīng)典計算理論學(xué)家也會不斷努力、設(shè)計出更好的算法來挑戰(zhàn)量子計算機，量子物理學(xué)家則會不斷升級、設(shè)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，共同加深我們對計算和信息本質(zhì)的理解。”
兩條技術(shù)路線均領(lǐng)先，中國量子計算的又一個開始
憑借“九章”和“祖沖之”，中國科大團隊在多個不同物理體系中均實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。而“九章二號”和“祖沖之二號”的問世，則成了中國在量子計算機優(yōu)越性上的又一個里程碑。
實際上，早在今年6月，在經(jīng)歷嚴(yán)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在預(yù)印本平臺上，并引起國內(nèi)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(dāng)中國的科學(xué)家團隊從‘墨子號’衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，進行世界上第一次量子安全視頻通話時，專家們認為中國已經(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(xiàn)，牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)模化量子模擬機奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
如今，“九章二號”把光子數(shù)從原來的最多76升級到了最多113，由此導(dǎo)致對經(jīng)典計算機的優(yōu)勢從一百萬億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)勢是一千萬倍。簡單地說，“九章二號”進一步擴大了對經(jīng)典計算機的優(yōu)勢，而“祖沖之二號”則取得了這一技術(shù)路線的新的世界紀(jì)錄。
因此，我們可以宣告中國是世界上唯一一個在兩條技術(shù)路線上實現(xiàn)量子優(yōu)越性的國家。從這個意義上說，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)國際會議”上，形成了《量子信息和量子技術(shù)白皮書（合肥宣言）》。國際專家在宣言中對量子計算的三個發(fā)展階段達成了共識：第一個階段是實現(xiàn)量子優(yōu)越性，即針對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機；第二個階段是實現(xiàn)具有應(yīng)用價值的專用量子模擬系統(tǒng)；第三個階段是實現(xiàn)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(xù)探索在量子機器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等具有實際價值的問題上的應(yīng)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(gòu)，將繼續(xù)向量子糾錯和實現(xiàn)復(fù)雜量子算法邁進。
“中國在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線都實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性，超越了美國。但這遠遠不是結(jié)束，而是開始。”袁嵐峰說。
