中國：“量子計算優越性”國家!

潘瑩瑩

(清華大學附屬中學永豐學校)

2021年10月底，中國科學技術大學傳來了一個重磅消息，“祖沖之二號”與“九章二號”打破了量子計算機紀錄，中國成為世界上有且僅有的在雙物理體系上實現“量子計算優越性”的國家.

其中“祖沖之二號”實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解，在求解該問題上比現有最快的超級計算機快出一千萬倍.“九章二號”在處理玻色子取樣問題上，速度比超級計算機更是快出了億億億倍，同時還擁有了更強的硬件編程能力.對于“祖沖之二號”而言，量子優越性的實現標志著量子計算踏入了發展的第二階段，相關架構為實現通用量子計算奠定了基礎.

“九章二號”的“億億億倍”更是刷新了國際上光量子操縱的技術水平.著名量子物理學家、加拿大Calgary大學教授BarrySanders受邀在Physics網站上撰寫長篇評述文章，稱贊該工作是“令人激動的實驗杰作”，“令人印象深刻的最前沿的進步”.

那么，什么是量子計算機? 為什么量子計算機可以“超快”? 量子計算優越性又是什么? 我們今天就一一解讀!

圖1 祖沖之二號

1 什么是量子計算機?

首先，我們從最基本的量子是什么說起.“量子”不是指具體的某一種粒子，而是量子世界中物質客體的總稱，可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是宏觀尺度下的量子系統，比如“薛定諤的貓”.在我們的日常經驗中，宏觀世界物體的物理量和狀態在某個時刻總是確定的.比如，一個燈泡要么是開的，要么是關的，不可能是既開著又關著的.但在量子世界里，“既開著又關著的燈泡”是存在的，因為量子具有疊加態.量子疊加是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上，簡言之，就是兩種狀態疊加在一起.

“薛定諤的貓”就是解釋量子疊加的一個思想實驗:把貓關在一個不透明的箱子里，箱子里有一個裝置，可以釋放出毒氣.如果不打開箱子去觀察(測量)，貓就陷于一種死或者活的疊加狀態.

圖3 薛定諤的貓

除了疊加態，量子還有另一個重要的特性——量子糾纏.量子糾纏是指，即使相距遙遠距離，一個粒子的行為也會影響另一個粒子的狀態.當其中一個粒子被操作而狀態發生變化，另一個粒子也會即刻發生相應的狀態變化.

量子計算機則以量子力學系統所描述的狀態作為計算形式.目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子或者微觀系統.比如“祖沖之號”使用的是超導約瑟夫森結系統，而“九章號”使用的是光量子系統.

2 為什么量子計算機可以“超快”?

我們先來簡單地了解一下量子計算機處理數據的邏輯.為了更好地形容量子計算機的處理速度，科學家將量子計算機的基本單位命名為昆比特，而量子計算機的主要實現者也就在于昆比特.昆比特是量子計算機最基本的信息單元，不同于電子計算機只能是0或1，量子比特可以同時是0和1，所以其計算性能更強大，而且增加量子比特數可使量子計算機的性能呈指數級提升.

3 量子計算優越性是什么?

簡單來說，只要在某些特定的問題上，采用無須糾錯的專用量子計算機(也稱量子模擬機)，計算(模擬)該問題的能力超越了任何經典計算機，就叫作“量子計算優越性”.

目前，世界上的量子計算機研究大多是針對某個特定的問題.例如“九章號”就是專門用以解決玻色子采樣問題，這是用來測試量子計算優越性的熱門問題.

量子計算機最主要的優勢，是能夠用物理系統上根本的并行能力，可以同時對大量數據進行處理.“祖沖之二號”與“九章二號”在不同體系都實現了“量子計算優越性”，在量子計算領域邁出了重要的一步.

據介紹，量子計算優越性的成功演示標志著量子計算研究進入發展的第二階段，開始量子糾錯和近期應用的探索.目前量子計算的發展還處于非常早期的階段，很難預測應用前景到底有多廣闊，但是現在來看，它可以提高我們的計算能力，對很多科研領域都很有幫助，比如藥物設計、分子模擬、密碼破譯等.

(完)