“九章”到底有多神

200秒只是短短一瞬，6亿年早已是沧海桑田。2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”（下称“九章”），求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。

这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

在设备的自主研发、技术革新上下功夫

“九章”既是中国古代的数学专著《九章算术》，也是牢固确立了我国在国际量子计算研究中第一方阵地位的量子计算原型机，二者皆有里程碑意义。

“量子优越性”指的是作为新生事物的量子计算机，一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明了量子计算机的优越性，跨过了未来在多方面超越传统计算机的门槛。

“这将实验各方面的技术推进到远超以前的水平。”澳大利亚昆士兰大学教授蒂姆·拉夫说，“该设备的规模是非凡的：100 模式干涉仪、25 个压缩器提供输入的量子态、使用100 个单光子探测器进行探测，并且实现了同时保持高效率，稳定性和量子不可分辨性——这都是展示量子计算优越性所必需的。”

从20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，到76个光子100个模式的高斯玻色取样，必须在设备上下功夫。“一开始，高效率100通道超导纳米线单光子探测器性能很低，只有4%。我们通过与中科院上海微系统与信息技术研究所合作，自主研发、革新技术，现在其性能已经提升到了98%。”中国科学技术大学教授陆朝阳说，不断增强量子光源、量子干涉、单光子探测器等领域的自主创新，是下一步研究的重点。

“利用量子器件来解决日益复杂的问题并体现量子优势，是量子科学前沿中的最重要问题之一。”美国科学院院士彼得·佐勒认为，潘建伟团队的研究，在量子系统的大小与扩展性、实际应用的前景方面把研究水平提升到了一个新的高度。

在不增加能耗的基础上，提升计算能力

“大数据时代，全球数据量呈指数增长，每两年翻一番。庞大的数据若不提取，就没有意义。”潘建伟说。目前，计算机传统的发展模式受限，超级计算机能耗巨大。在潘建伟看来，“九章”问世的意义在于能在不增加能耗的基础上，提升计算能力。

眼下，研制量子计算机已成为世界科技前沿的最大挑战之一，是全球角逐的焦点。2019年，谷歌公司推出53个超导量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算效率远超当时世界最快的超级计算机，率先实现了“量子优越性”。而“九章”则实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解。

处理5000万个样本的高斯玻色取样问题，“九章”只需200秒，而目前世界上最快的超级计算机则需要6亿年；处理100亿个样本，“九章”需10个小时，超级计算机则需要1200亿年。正如陆朝阳所说：“‘九章’在1分钟时间里完成了经典超级计算机1亿年才能完成的任务。”

对量子计算机的研究，国际同行公认有3个指标性的发展阶段：第一阶段是发展具备50至100个量子比特的高精度专用量子计算机，实现计算科学中量子计算优越性的里程碑；第二阶段是研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，以解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题；第三阶段是大幅度提高可集成的量子比特数目至百万量级，实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

陆朝阳介绍，与“悬铃木”相比，“九章”具有运算速度更快、环境适应性更强、克服技术漏洞这三大优势。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超级计算机，“九章”则在小样本和大样本上都超过了超级计算机，“好比赛跑，谷歌的机器短跑能跑赢超级计算机，长跑跑不赢；我们的机器短跑、长跑都能跑赢。”

在机器学习、量子化学等领域具有潜在前景

“九章”的诞生，是否意味着我国在“量子争霸”上已经取得胜利？人类是否马上就要进入量子计算的时代？我们可以用它来做些什么？

潘建伟团队透露，尽管“九章”的算力快得惊人，但它只是在量子计算第一阶段树起了一座里程碑，未来的路还很长。

在人们对算力需求指数级增长的时代，量子计算机已然成为世界前沿的兵家必争之地。最近美国公布了量子计算领域的最新计划，英国、欧盟、日本等国家和地区也早有相应规划。我国“九章”的研制成功，不仅取得了“量子优越性”的里程碑式进展，也为第二步——解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题提供了潜在的前景。

眼下，无论是谷歌的“悬铃木”处理“随机线路取样”，还是“九章”求解“高斯玻色取样”，都只能用来解决某一个特定问题。潘建伟解释，这是因为目前可用来搭建量子计算机的材料有限，只能“就食材做菜”，未来量子计算机的突破，更有可能依赖于新材料在量子计算硬件上的创新。“这不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争。”潘建伟说。

潘建伟透露，在“九章”的基础上，他们将通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术攻关，力争尽早研制出可编程的通用量子计算原型机。“希望能够通过15年到20年的努力，研制出通用的量子计算机，用以解决一些应用非常广泛的问题，比如密码分析、气象预报、药物设计等，同时也可以用于进一步探索物理学、化学、生物学领域的一些复杂问题。”