原標(biāo)題：瞭望丨新的算力里程碑
◇研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一
◇好比走迷宮,，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)每次只能選擇一條路去嘗試，量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)嘗試多條不同的路,，能更快找到那條正確的路
◇“九章三號”正在從“實(shí)現(xiàn)‘量子優(yōu)越性’里程碑式突破”的階段向“解決一些超級計(jì)算機(jī)無法勝任,、具有重大實(shí)用價(jià)值的問題”的階段跨越
◇通用量子計(jì)算機(jī)需要操縱上千萬的量子比特，同時(shí)也要具備糾錯(cuò)能力，這些都是目前九章系列量子計(jì)算原型機(jī)需要迭代實(shí)現(xiàn)的,，量子技術(shù)的實(shí)用化是一場接力長跑
宋博 圖/本刊
10月11日,，中國科學(xué)家宣布成功構(gòu)建255個(gè)光子的“九章三號”量子計(jì)算原型機(jī)，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級計(jì)算機(jī)快一億億倍,，確立新的算力里程碑,。
“九章三號”為什么能這么快？研制量子計(jì)算機(jī)進(jìn)展到哪一步了,？量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)用還有多遠(yuǎn),？《瞭望》新聞周刊記者獨(dú)家專訪了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)九章團(tuán)隊(duì)。
比最快超算快一億億倍
為何能這么快
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)算的新型計(jì)算模式,。1981年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼首先提出了量子計(jì)算機(jī)構(gòu)想,。
它在原理上具有超快的并行計(jì)算能力,，可望通過特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面，相比傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級別的加速,。因而,，研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。
最新發(fā)布的“九章三號”有多快,？根據(jù)公開發(fā)表的最優(yōu)算法,，“九章三號”處理高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍?！熬耪氯枴?微秒可算出的最復(fù)雜樣本,，當(dāng)前全球最快的超級計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）約需200億年。
為何能這么快,？
“九章三號”項(xiàng)目牽頭人陸朝陽教授告訴《瞭望》新聞周刊記者,，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,，每個(gè)晶體管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān),，通過開關(guān)的狀態(tài)表示0和1。每次運(yùn)算只能處理一位信息,，信息量越大,，計(jì)算時(shí)間越長。而量子計(jì)算機(jī)采用量子比特,，它利用量子力學(xué)特性比如疊加態(tài)和糾纏態(tài),，從而實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算。
“好比走迷宮,，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)走迷宮,，就好比同時(shí)有10個(gè)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,?！标懗栒f。
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)級增長,。“九章二號”可操縱113個(gè)光子,，“九章三號”可操縱255個(gè)光子，但運(yùn)算能力的提升并不是255除以113得到的2.26倍,，而是100萬倍,。
“九章三號”從結(jié)構(gòu)上分為受激量子光源、超低損耗的量子光路,、時(shí)空解復(fù)用的光纖環(huán)以及超導(dǎo)納米線單光子探測器四大部分,，較“九章二號”最大的升級在于“時(shí)空解復(fù)用的光纖環(huán)”技術(shù)。
“‘九章二號’無法解析光子具體數(shù)量,，光纖環(huán)的應(yīng)用能夠大幅度提高光子的操縱水平,。”陸朝陽說,，與此同時(shí),，受激量子光源也是目前世界上損耗率最低、模式數(shù)最多的,，這些創(chuàng)新提升了光子的數(shù)量和品質(zhì),，以及計(jì)算的復(fù)雜度。
“九章三號”處于量子計(jì)算機(jī)
研制的什么階段
國際主流觀點(diǎn)認(rèn)為,，量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展將有三個(gè)階段：
第一階段,，研制50個(gè)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,，研制可操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，解決一些超級計(jì)算機(jī)無法勝任,、具有重大實(shí)用價(jià)值的問題,，比如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì),、優(yōu)化算法等,。
第三階段,，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),。
2020年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所,、國家并行計(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)，首次在國際上實(shí)現(xiàn)光學(xué)體系的“量子計(jì)算優(yōu)越性”,。
2021年,，他們進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計(jì)算原型機(jī)，使我國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國家,。
那么,，最新發(fā)布的“九章三號”處于哪個(gè)階段？
“我認(rèn)為,，九章三號正在從第一階段向第二階段跨越,。”陸朝陽說,，他們在不斷鞏固第一階段實(shí)現(xiàn)的“量子優(yōu)越性”基礎(chǔ)上,，不斷探索第二階段的實(shí)用性開發(fā)，包括用來解決圖論,、盲計(jì)算,、量子精密測量等方面的一些問題，尋找在現(xiàn)實(shí)中有潛在應(yīng)用價(jià)值的場景,。
量子計(jì)算機(jī)距離實(shí)用還有多遠(yuǎn)
潘建偉介紹,，量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可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),，還有很長的路要走,。
近年來，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,。此次發(fā)布的“九章三號”，潘建偉團(tuán)隊(duì)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,。
陸朝陽告訴《瞭望》新聞周刊記者，即便是這樣,，“九章三號”距離通用量子計(jì)算機(jī)還很遠(yuǎn),。“通用量子計(jì)算機(jī)需要操縱上千萬的量子比特,，同時(shí)也要具備糾錯(cuò)能力,，這些都是目前九章系列量子計(jì)算原型機(jī)需要迭代實(shí)現(xiàn)的，量子技術(shù)的實(shí)用化是一場接力長跑,?！?/p>
國際主流觀點(diǎn)認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī),，至少還需要5年到10年乃至更長時(shí)間,。
當(dāng)前，國際量子計(jì)算研究呈加速態(tài)勢,，量子計(jì)算成為全球各國科研和戰(zhàn)略布局的重點(diǎn),，包括IBM、谷歌等在內(nèi)的科技巨頭不斷加碼,，各國政府和行業(yè)也正加速對量子計(jì)算的研發(fā)投資和政策扶持。
九章團(tuán)隊(duì)表示,，期待這次突破能激發(fā)科學(xué)界更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究,，逐步解決各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，加快實(shí)現(xiàn)通用型量子計(jì)算機(jī)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,?！拔覀兿Ｍ苡懈鄡?yōu)秀的年輕人加入進(jìn)來,，更多其他學(xué)科的學(xué)者加入進(jìn)來,，形成學(xué)科交叉，共同推動(dòng)量子計(jì)算事業(yè)加速發(fā)展,?！?/p>
（文?|《瞭望》新聞周刊記者?徐海濤?張泉?陳諾? 《瞭望》2023年第43期 ）
