11日，記者從中國科學技術大學獲悉，該校中國科學院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊，與中國科學院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功構建了255個光子的量子計算原型機“九章三號”，再度刷新了光量子信息的技術水平和量子計算優越性的世界紀錄。

科研人員設計了時空解復用的光子探測新方法，構建了高保真度的準光子數可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算復雜度。根據公開正式發表的最優經典精確采樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍。“九章三號”在百萬分之一秒時間內所處理的最高復雜度的樣本，需要當前最強的超級計算機“前沿”（Frontier）花費超過200億年的時間。這一成果進一步鞏固了我國在光量子計算領域的國際領先地位。

“九章三號”實驗裝置示意圖。（中國科學技術大學供圖）

“九章”問世 確立我國在國際量子計算研究第一方陣地位

2020年12月，潘建偉、陸朝陽等學者組成的研究團隊，與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功研制出76個光子100個模式的量子計算原型機——“九章”。它處理“高斯玻色取樣”的速度，比目前最快的超級計算機快100萬億倍。也就是說，超級計算機需要一億年完成的任務，“九章”只需一分鐘。“九章”的問世，確立了我國在國際量子計算研究中第一方陣地位。

“九章二號”144模式干涉儀（部分）實驗照片。中國科學技術大學供圖?

2021年，潘建偉團隊進行了一系列概念和技術創新，成功研制出“九章二號”。研究團隊成員、中科大教授陸朝陽介紹：“主要有三大突破，首先顯著提高了量子光源的產率、品質和收集效率，將光源關鍵指標從63%提升到92%。其次，將多光子量子干涉線路從100維度增加到144維度，操縱的光子數從76個增加到113個。第三，新增了可編程功能。”

結果顯示，“九章二號”的算力實現巨大提升。根據當時已發表的最優經典算法，“九章二號”求解高斯玻色取樣問題的處理速度，比全球最快的超級計算機快億億億倍，比“九章”快100億倍。“九章二號”1毫秒可算出的問題，全球“最快超算”需30萬億年。

光量子干涉示意圖。制圖：文樂，羅弋涵 來源：中國科學技術大學

量子計算機有何實用價值？

有人會說，量子計算機只能解決特定問題，感覺用途不大。其實不然。

1943年，世界上第一臺計算機誕生時，這個一噸重的大家伙，每秒5000次算力震驚了當時的人們。IBM總裁托馬斯·沃森就預言，全世界有5臺這樣的計算機就夠用了。然而，才過了幾十年時間，人們手中一部智能手機的算力總和，已經超過了當年整個“阿波羅”登月計劃的算力總和。

傳統計算機是依靠芯片中硅晶體管的指數級增長，來實現算力增強的。然而，今天一枚晶體管的尺寸比病毒還小，已逼近物理極限。終有一天，晶體管電路原理將不再適用，計算速度將“碰到天花板”。

我們把當今全球所有計算機的算力加在一起，一年里都無法完成對“2的90次方”個數據的窮舉搜索。一方面，是傳統計算模式受到嚴重制約；另一方面，是隨著社會發展，數據在呈指數級增長，對計算能力的需求也隨之飛速增長。有些問題之所以無法解決，就是因為算力不夠。比如，密碼破解問題，傳統計算機不是算不出，而是因為算的時間太長。分解一個300位大數，一臺萬億次傳統計算機需要算15萬年，而一臺萬億次量子計算機只需一秒鐘。

此外，作為量子計算原型機的“九章”，其強大算力可初步用于量子化學以及一些數學難題的研究，甚至也可用于機器學習的一些研究，在解決傳統難題上能做一些有效探索。

目前，“九章”還只是“單項冠軍”，但它將在更多領域的探索中，體現出更多應用價值。“九章”的出色表現，為將來實現“可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機”奠定了技術基礎。潘建偉、陸朝陽團隊認為，未來研制出的通用量子計算機，能夠解決很多廣泛的問題。例如對氣象預報、金融分析、材料設計、藥物分析等，均具有實用價值。同時，也可用來探索物理學、生物學、化學領域的一些復雜問題。

量子計算未來發展前景如何？

量子計算機的計算能力隨量子比特數目呈指數增長，因此量子計算研究的核心任務是多量子比特的相干操縱。根據相干操縱量子比特的規模，國際學術界公認量子計算有如下發展階段：

第一個階段是實現“量子計算優越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越經典超級計算機，達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。美國谷歌公司在2019年率先實現超導線路體系的“量子計算優越性”。此前，我國則分別于2020年在光量子體系、2021年在超導線路體系實現了“量子計算優越性”。

第二個階段是實現專用量子模擬機，即相干操縱數百個量子比特，應用于組合優化、量子化學、機器學習等特定問題，指導材料設計、藥物開發等。達到該階段需要5至10年，是當前的主要研究任務。

第三個階段是實現可編程通用量子計算機，即相干操縱至少數百萬個量子比特，能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發揮巨大作用。由于量子比特容易受到環境噪聲的影響而出錯，對于規模化的量子比特系統，通過量子糾錯來保證整個系統的正確運行是必然要求，也是一段時期內面臨的主要挑戰。由于技術上的難度，何時實現通用量子計算機尚不明確，國際學術界一般認為需要15年甚至更長時間。

目前，國際上正在對各種有望實現可擴展量子計算的物理體系開展系統性研究。我國已完成了所有重要量子計算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國在內的三個具有完整布局的國家（地區）之一。

量子計算的前世今生

物理學界認為，1981年5月是標志著量子計算開始的重要時刻。

那年的一場會議演講中，加州理工學院物理學教授、1965年諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼提出了兩個極具前瞻性的問題：經典計算機是否能夠有效地模擬量子系統？舍棄經典的圖靈機模型而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？

費曼的觀點影響了以后量子計算的發展，隨著研究的不斷深入，人們越發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的深入探究和發現。

“量子計算機是用量子力學原理制造的計算機，目前還處于很初步的階段。相應的，現有的我們在用的計算機被稱為經典計算機。”中國科學技術大學微尺度物質科學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進行計算，而量子計算機則是以量子的狀態作為計算形式。”

我們日常使用的電腦，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計算機完全不同，其理論依據是量子力學中的量子疊加原理施展并行計算的能力。“量子力學允許一個物體同時處于多種狀態。那么，在量子計算中，0和1同時存在，就意味著很多個任務可以同時完成。它的關鍵取決于觀測方法，因此具有超越經典計算機的運算能力。”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分別乘以一個系數再疊加，隨著系數的不同，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。”陸朝陽說，傳統計算機走迷宮，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典計算機的限制，潛力無窮。

但量子計算機與經典計算機并非是替代的關系。袁嵐峰介紹，量子計算機只是對某些問題超過經典計算機。“有些問題經典計算機已經算得很快了，如加減乘除，量子計算機對它們就沒有任何優勢。”目前物理學界的普遍共識是，量子計算機不可能完全取代經典計算機，只能在某些有特定難度的問題上替代經典計算機，實現量子加速。“量子計算機永遠都不會完全取代經典計算機，兩者會各自在適合的場景使用。”

（來源：綜合科技日報、新華網、學習時報、光明日報等）