揭開“九章”量子計(jì)算原型機(jī)神秘面紗 邁向量子優(yōu)越性新里程碑。2020年，中國(guó)成功研制出量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。2021年，“九章二號(hào)”和“祖沖之二號(hào)”相繼問世，使中國(guó)成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩條技術(shù)路線都實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家。2023年，“九章三號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍，確立了新的算力里程碑。

量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律，調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型模式。1981年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼提出了量子計(jì)算機(jī)構(gòu)想。這種計(jì)算模式在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，有望通過特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題上實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。

2020年12月4日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建76個(gè)光子的“九章”量子計(jì)算原型機(jī)?！熬耪隆睂?duì)經(jīng)典數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣的計(jì)算速度比當(dāng)時(shí)世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍。這一突破使中國(guó)成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國(guó)家?！熬耪隆钡妹谥袊?guó)古代著名數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》。

2021年，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號(hào)”和56比特的“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)。2023年10月11日，他們宣布成功構(gòu)建255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍。

“九章”系列實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，即當(dāng)新生的量子計(jì)算原型機(jī)在某個(gè)問題上的計(jì)算能力超過了最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，就證明其未來(lái)有多方超越的可能。此前，美國(guó)谷歌團(tuán)隊(duì)宣布研制出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，在全球首次實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。相比“懸鈴木”，“九章”有三大優(yōu)勢(shì)：一是速度更快；二是環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)；三是彌補(bǔ)了技術(shù)漏洞。

對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究，國(guó)際主流觀點(diǎn)認(rèn)為有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段。第一階段是研制50到100個(gè)量子比特的專用量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”里程碑式突破。第二階段是研制可操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，解決一些超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任、具有重大實(shí)用價(jià)值的問題。第三階段是大幅提高量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯(cuò)能力，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

根據(jù)公開發(fā)表的最優(yōu)算法，“九章三號(hào)”處理高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題的速度比“九章二號(hào)”提升一百萬(wàn)倍。“九章三號(hào)”1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當(dāng)前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”約需200億年。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)表示，量子計(jì)算的運(yùn)算邏輯和傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)不同，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基于二進(jìn)制進(jìn)行邏輯運(yùn)算，而量子計(jì)算機(jī)采用量子比特，利用量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算。

量子計(jì)算的另一個(gè)特性是隨著可操縱的量子數(shù)量增多，運(yùn)算能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。“九章二號(hào)”可操縱113個(gè)光子，“九章三號(hào)”可操縱255個(gè)光子，但運(yùn)算能力的提升并不是線性的，而是達(dá)到了100萬(wàn)倍。

量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，有望通過特定算法在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預(yù)報(bào)、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等領(lǐng)域提供比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)的算力支持。但要實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用性的通用量子計(jì)算機(jī)，還有很長(zhǎng)的路要走。近年來(lái)，中外科學(xué)家持續(xù)攻關(guān)量子計(jì)算研究，不斷取得重大突破?！熬耪氯?hào)”在理論上首次開發(fā)了包含光子全同性的新理論模型，實(shí)現(xiàn)更精確的理論與實(shí)驗(yàn)吻合度，同時(shí)發(fā)展了完備的貝葉斯驗(yàn)證和關(guān)聯(lián)函數(shù)驗(yàn)證。即便如此，“九章三號(hào)”距離通用量子計(jì)算機(jī)還很遠(yuǎn)。潘建偉團(tuán)隊(duì)期待“九章三號(hào)”的突破能激發(fā)科學(xué)界更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究，解決各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，加快實(shí)現(xiàn)通用型量子計(jì)算機(jī)。