九章三号“问世”：再度刷新量子计算世界纪录｜寻找临界点•世说新语②
封面新闻记者 车家竹
“量子信息技术正在引领一场新的科技革命，将深远地影响人类社会。放眼更久远的未来，量子科技发展所取得的突破或许将帮助人类实现如今难以企及的梦想。”在潘建伟看来，量子科技正是带领我们“飞向未来的船与帆”。
资料图
2023年10月11日，由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建了255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。
这也意味着，中国在研制量子计算机之路上又迈出重要一步。
中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队
为何研制量子计算机？
特定量子算法能实现指数级别的加速
传统计算机每次只能选择一条路去尝试，量子计算机可以同时尝试多条不同的路，能更快找到那条正确的路。
量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。1981年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出量子计算机构想。研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。为此，国际学术界制定了三步走的发展路线。其中，第一步是实现“量子计算优越性”，即通过对近百个量子比特的高精度量子调控，对特定问题的求解展现超级计算机无法比拟的算力，这标志着40年前费曼等人的梦想成为现实。
量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式，在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定量子算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速。
中科大团队在理论上首次发展了包含光子全同性的新理论模型，实现了更精确的理论与实验的吻合；同时，发展了完备的贝叶斯验证和关联函数验证，全面排除了所有已知的经典仿冒算法，为量子计算优越性提供了进一步数据支撑。
深度科技研究院院长张孝荣向记者表示，在他看来研制量子计算机有以下三个原因：一是国家战略需求，量子计算机被认为是未来科技竞争的关键领域，在国家安全、经济竞争力等方面具有重要意义。二是科学研究需求，量子计算机具有解决特定问题的潜力，如优化问题、密码学等，能为物理学、生物学、化学等领域的研究带来革命性的变革。三是产业升级需求，量子计算机有望为大数据、人工智能、新能源等领域带来技术突破，推动产业升级和经济发展。
光量子计算的国际竞争态势
为何能如此之快？
比上一代运行算力提升100万倍
“九章三号”求解高斯玻色取样数学问题的速度，比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍。从较高的精度上解决特定的数学问题，同时又应用了光子的量子力学特性。
作为人类科学史上应用数学的“算经之首”的《九章算术》，是中国古代算法的扛鼎之作，与《几何原本》并列为世界两大数学体系的代表作，全书总共收集246个数学问题并提供其解法，对世界数学发展产生了重要影响，而“九章三号”中的“九章”也正是取名于此。
2020年，潘建伟团队构建76个光子的量子计算原型机“九章”，使中国成为全球第二个实现量子优越性的国家。2021年，潘建伟团队成功研制出113个光子的“九章二号”和66比特的“祖冲之二号”量子计算原型机，从而使中国成为在光学和超导两条技术路线上都实现量子优越性的国家。
九章三号的计算复杂度需要花费超级计算机的时间
根据公开正式发表的最优经典精确采样算法，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前最强的超级计算机“前沿”（Frontier）花费超过二百亿年的时间。“九章二号”可操纵113个光子，“九章三号”可操纵255个光子，但运算能力的提升并不是255除以113得到的2.26倍，而是100万倍。
为什么能那么快？“量子计算的运算逻辑和传统电子计算机不同，传统计算机基于二进制进行逻辑运算，每个晶体管相当于一个开关，通过开关的状态表示0和1。每次运算只能处理一位信息，信息量越大，计算时间越长。而量子计算机采用量子比特，它利用量子力学特性比如叠加态和纠缠态，从而实现并行运算。”陆朝阳对此解释道。
“九章三号”实验装置示意图
为何还有一段路需要走？
量子技术运用是一场接力长跑赛
据资料显示，国际主流观点认为，量子计算机的发展将有三个阶段：
第一阶段，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子优越性”里程碑式突破。第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题，比如量子化学、新材料设计、优化算法等。第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算原型机。
“我认为，九章三号正在从第一阶段向第二阶段跨越。”陆朝阳说，他们在不断巩固第一阶段实现的“量子优越性”基础上，不断探索第二阶段的实用性开发，包括用来解决图论、盲计算、量子精密测量等方面的一些问题，寻找在现实中有潜在应用价值的场景。
潘建伟介绍，量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在密码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域，提供比传统计算机更强的算力支持。但要实现具有实用性的通用量子计算机，还有很长的路要走。
对此，张孝荣还补充说：“综合来看，研制通用型量子计算机仍面临诸多挑战，比如技术方面的难题，算法研究有限，硬件和软件协同能力暂缺，还有实际应用中量子计算机的稳定运行所受环境因素的影响，如温度、振动等，这些问题都亟待解决。”
通用量子计算机需要操纵上千万的量子比特，同时也要具备纠错能力，这些都是目前九章系列量子计算原型机需要迭代实现的，量子技术的实用化是一场接力长跑赛。
（图片源自于网络）