200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”（下稱“九章”），求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計(jì)算機(jī)要用6億年。

這一突破使我國成為全球第二個實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

“九章”既是中國古代的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》，也是牢固確立了我國在國際量子計(jì)算研究中第一方陣地位的量子計(jì)算原型機(jī)，二者皆有里程碑意義。

“量子優(yōu)越性”指的是作為新生事物的量子計(jì)算機(jī)，一旦在某個問題上的計(jì)算能力超過了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，就證明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，跨過了未來在多方面超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的門檻。

“這將實(shí)驗(yàn)各方面的技術(shù)推進(jìn)到遠(yuǎn)超以前的水平?！卑拇罄麃喞ナ刻m大學(xué)教授蒂姆·拉夫說，“該設(shè)備的規(guī)模是非凡的：100模式干涉儀、25個壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用100個單光子探測器進(jìn)行探測，并且實(shí)現(xiàn)了同時保持高效率，穩(wěn)定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計(jì)算優(yōu)越性所必需的?！?/p>

從20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，到76個光子100個模式的高斯玻色取樣，必須在設(shè)備上下功夫?！耙婚_始，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測器性能很低，只有4%。我們通過與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所合作，自主研發(fā)、革新技術(shù)，現(xiàn)在其性能已經(jīng)提升到了98%?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽說，不斷增強(qiáng)量子光源、量子干涉、單光子探測器等領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，是下一步研究的重點(diǎn)。

“利用量子器件來解決日益復(fù)雜的問題并體現(xiàn)量子優(yōu)勢，是量子科學(xué)前沿中的最重要問題之一?！泵绹茖W(xué)院院士彼得·佐勒認(rèn)為，潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究，在量子系統(tǒng)的大小與擴(kuò)展性、實(shí)際應(yīng)用的前景方面把研究水平提升到了一個新的高度。

“大數(shù)據(jù)時代，全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長，每兩年翻一番。龐大的數(shù)據(jù)若不提取，就沒有意義?！迸私▊フf。目前，計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)的發(fā)展模式受限，超級計(jì)算機(jī)能耗巨大。在潘建偉看來，“九章”問世的意義在于能在不增加能耗的基礎(chǔ)上，提升計(jì)算能力。

眼下，研制量子計(jì)算機(jī)已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，是全球角逐的焦點(diǎn)。2019年，谷歌公司推出53個超導(dǎo)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，對一個數(shù)學(xué)算法的計(jì)算效率遠(yuǎn)超當(dāng)時世界最快的超級計(jì)算機(jī)，率先實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。而“九章”則實(shí)現(xiàn)了“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

處理5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題，“九章”只需200秒，而目前世界上最快的超級計(jì)算機(jī)則需要6億年;處理100億個樣本，“九章”需10個小時，超級計(jì)算機(jī)則需要1200億年。正如陸朝陽所說：“‘九章在1分鐘時間里完成了經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)1億年才能完成的任務(wù)。”

對量子計(jì)算機(jī)的研究，國際同行公認(rèn)有3個指標(biāo)性的發(fā)展階段：第一階段是發(fā)展具備50至100個量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中量子計(jì)算優(yōu)越性的里程碑;第二階段是研制可相干操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機(jī)，以解決若干超級計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價值的問題;第三階段是大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目至百萬量級，實(shí)現(xiàn)容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

陸朝陽介紹，與“懸鈴木”相比，“九章”具有運(yùn)算速度更快、環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、克服技術(shù)漏洞這三大優(yōu)勢。“懸鈴木”只有在小樣本的情況下快于超級計(jì)算機(jī)，“九章”則在小樣本和大樣本上都超過了超級計(jì)算機(jī)，“好比賽跑，谷歌的機(jī)器短跑能跑贏超級計(jì)算機(jī)，長跑跑不贏;我們的機(jī)器短跑、長跑都能跑贏?！?/p>

“九章”的誕生，是否意味著我國在“量子爭霸”上已經(jīng)取得勝利？人類是否馬上就要進(jìn)入量子計(jì)算的時代？我們可以用它來做些什么？

潘建偉團(tuán)隊(duì)透露，盡管“九章”的算力快得驚人，但它只是在量子計(jì)算第一階段樹起了一座里程碑，未來的路還很長。

在人們對算力需求指數(shù)級增長的時代，量子計(jì)算機(jī)已然成為世界前沿的兵家必爭之地。最近美國公布了量子計(jì)算領(lǐng)域的最新計(jì)劃，英國、歐盟、日本等國家和地區(qū)也早有相應(yīng)規(guī)劃。我國“九章”的研制成功，不僅取得了“量子優(yōu)越性”的里程碑式進(jìn)展，也為第二步——解決若干超級計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價值的問題提供了潛在的前景。

眼下，無論是谷歌的“懸鈴木”處理“隨機(jī)線路取樣”，還是“九章”求解“高斯玻色取樣”，都只能用來解決某一個特定問題。潘建偉解釋，這是因?yàn)槟壳翱捎脕泶罱孔佑?jì)算機(jī)的材料有限，只能“就食材做菜”，未來量子計(jì)算機(jī)的突破，更有可能依賴于新材料在量子計(jì)算硬件上的創(chuàng)新?！斑@不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競爭?！迸私▊フf。

潘建偉透露，在“九章”的基礎(chǔ)上，他們將通過提高量子比特的操縱精度等一系列技術(shù)攻關(guān)，力爭盡早研制出可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)?！跋Ｍ軌蛲ㄟ^15年到20年的努力，研制出通用的量子計(jì)算機(jī)，用以解決一些應(yīng)用非常廣泛的問題，比如密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等，同時也可以用于進(jìn)一步探索物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)領(lǐng)域的一些復(fù)雜問題。”