“九章三號”的1微秒背后

林寬雨

2023年10月，中國科學家宣布成功構建了255個光子的光量子計算原型機“九章三號”，求解高斯玻色取樣數學問題比目前全球最快的超級計算機快1億億倍，確立新的算力里程碑。

“九章三號”的成功問世，讓量子計算機再度受到廣泛關注。今天，我們就來聊聊量子計算機，讓大家對這種距離我們生活還比較遙遠的計算機有更多的了解。

簡單地說，量子計算機就是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的計算機。雖然也是計算機家族的一員，但是量子計算機和我們熟悉的傳統計算機在計算速度上的差異非常大。如果將傳統計算機的計算速度比作自行車的騎行速度，那么，量子計算機的計算速度相當于飛機的飛行速度。

看到算力如此恐怖的量子計算機，傳統計算機如果像人一樣會思考，它可能會問出一個很多人都很好奇的問題：量子計算機為何如此之強？

要回答這個問題，可以從傳統計算機處理數據的最基本單元——比特說起。比特就像一個開關，可以通過阻攔或允許電力通過，產生二進制的單元信息。如果我們規定這個開關斷開時表示“0”，閉合時表示“1”，那我們就可以用這個開關表示“0”和“1”兩種情況，不過這個開關一次只能表示一個數。量子計算機處理數據的最基本單元是量子比特，我們也可以把它想象成一個開關，并同樣規定斷開時表示“0”，閉合時表示“1”。雖然也是表示“0”和“1”兩種情況，但是因為量子疊加態的存在，量子比特開關一次就能表示“0”和“1”這兩個數，這種疊加態讓量子計算機擁有了并行計算的能力，其算力會隨著量子比特數量的增多呈指數增長。

舉個例子，假如我們想對表示開關通、斷的兩個數進行加法運算，傳統開關因為一次只能表示一個數，所以需要計算兩次；而量子開關因為既表示“0”，也表示“1”，所以只需要計算一次就能得到兩個結果。當開關的數量增加到N個時，量子開關可同時表示2n種狀態，而傳統開關依然只能表示一種狀態，這時如果再進行加法運算，傳統開關需要計算2n次，而量子開關還是一次就能完成所有加法運算。

需要說明的是，盡管量子計算機擁有非常恐怖的計算能力，但是它并不是完全強于傳統計算機，因為量子計算機想展示自己的出色算力，通常需要滿足兩個條件：一是這個問題適合采用量子計算機進行運算處理；二是這個問題也能用傳統計算機進行運算處理，只是對傳統計算機而言過于復雜。概括起來就是，量子計算機只在特定問題的運算上完全碾壓傳統計算機。

盡管量子計算機還只能在特定問題求解上使用，但是它展現出的強大計算能力還是讓人驚嘆。如此優秀的計算機究竟是如何誕生的呢？這個問題還要從20世紀80年代說起。

1981年5月，諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼在一次演講中提到兩個有關量子的問題：經典計算機能否模擬量子系統？利用具有奇特性質的量子材料，能否建造出模擬量子系統的計算機？這兩個具有前瞻性的問題，讓更多的人關注量子計算并投入相關研究中。隨著研究的深入，人們越發感覺量子計算具有重要意義，一場關于量子計算機的競賽悄然展開。在過去的10多年里，包括谷歌、IBM、微軟等在內的多家大公司都在互相較勁兒。2013年，谷歌建立了量子人工智能實驗室，致力于通過超導量子比特實現量子計算；2017年， IBM宣布制造出50個量子比特的芯片；2019年，微軟發布Azure Quantum量子服務……量子計算機在人們的努力研究下變得越來越出色。

在國外新型量子計算機不斷涌現的同時，我國在量子計算機研究領域也是屢創佳績。2023年10月，由中國科學技術大學研究團隊、中國科學院上海微系統與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作構建的光量子計算原型機“九章三號”成功問世。

作為中國量子計算機家族的最新代表，“九章三號”在算力方面的表現更為優秀。“九章三號”擁有操縱255個光子的能力，其處理某特定問題的速度比它的前輩“九章二號”快了100萬倍。它在1微秒（百萬分之一秒）時間內處理的最高復雜度的樣本，需要當前超級計算機家族的最優秀成員——美國的“前沿”超級計算機花費超過200億年的時間來處理。

可以說，不論是對比其他計算機家族的成員還是自己的前輩，“九章三號”在算力上都已遙遙領先。

因為擁有異常優秀的算力，未來的量子計算機會在很多需要大量計算的領域被委以重任，比如：

破譯密碼

現代公開密鑰加密的主要方式是利用數學上難解的計算問題生成一對密鑰，一個是加密密鑰，一個是解密密鑰。因為通過加密密鑰推算解密密鑰的計算量很大，在有限的計算資源和時間內很難實現，所以密碼的安全性能夠得到保障。但是，在量子計算機面前，原本安全的密碼可能就不那么安全了，憑借強大的計算能力，量子計算機或許能輕松地推算出解密密鑰。

助力人工智能

當今社會，得到大力發展的人工智能已經在我們的日常生活中得到很多應用，科學家也在努力讓人工智能變得更聰明。然而，在人工智能快速發展的道路上存在一些“攔路虎”，計算機算力短缺就是其中之一。量子計算機如果能順利實現商用，憑借其強大的算力，一定會讓人工智能的智能程度更上一層樓，為我們的生活帶來更多精彩。

進軍醫學領域

未來的量子計算機在醫學領域也可能得到重用。在藥物的研發階段，需要借助計算機進行一些篩選工作，如果量子計算機能代替傳統計算機從事這項工作，篩選效率一定會得到大幅度提升。

除了以上幾方面，未來的量子計算機還有望在天氣預報、大數據優化、金融分析等需要強大的計算機算力的領域得到廣泛應用。

需要說明的是，想讓量子計算機在上述領域大顯身手，還需要耐心等待。

在2019年安徽省合肥市舉辦的新興量子技術國際會議上，科學家將量子計算機的發展劃分成了3個階段：第一階段，讓量子計算機擁有強大實力，針對特定問題的算力超越經典計算機；第二階段，讓量子計算機具有實用價值，在量子化學、機器學習等領域嶄露頭角；第三階段，讓量子計算機進化成可編程的通用量子計算機，在密碼破譯、人工智能等領域大顯身手。

目前，“九章三號”也只是處于第一階段向第二階段跨越的階段，距離最終實現通用的目標還有很長的路要走。希望未來的量子計算機能如科學家計劃的那樣發展下去，早日實現通用，為我們的生活增添更多色彩。

（責任編輯：白玉磊）