九章——踏破量子優(yōu)越性

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

一、什么是量子計算機(jī)？

量子計算機(jī)是一種運行規(guī)律遵循量子力學(xué)，能夠進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。它以量子比特為基本運行單元，有別于傳統(tǒng)計算機(jī)只能處于0或1的二進(jìn)制狀態(tài)，可同時處在多個狀態(tài)，從而具有比傳統(tǒng)計算機(jī)更加強大的并行計算能力。它的計算應(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算的能力，可以將某些在電子計算機(jī)上呈指數(shù)增長復(fù)雜度的問題變?yōu)槎囗検皆鲩L復(fù)雜度問題，即某些對電子計算機(jī)來說難解的問題，在量子計算機(jī)上就可變成易解的問題。量子計算機(jī)的誕生將為人類社會提供具有強大無比運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？

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

三、九章量子計算機(jī)又是什么？

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

四、量子計算機(jī)發(fā)展到什么階段？有什么價值？

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