◇研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一
◇好比走迷宫，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
◇“九章三号”正在从“实现‘量子优越性’里程碑式突破”的阶段向“解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题”的阶段跨越
◇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
宋博 图
10月11日，中国科学家宣布成功构建255个光子的“九章三号”量子计算原型机，求解高斯玻色取样数学问题比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍，确立新的算力里程碑。
“九章三号”为什么能这么快？研制量子计算机进展到哪一步了？量子计算机距离实用还有多远？《瞭望》新闻周刊记者独家专访了中国科学技术大学九章团队。
比最快超算快一亿亿倍
为何能这么快
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·费曼首先提出了量子计算机构想。
它在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面，相比传统的电子计算机实现指数级别的加速。因而，研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。
最新发布的“九章三号”有多快？根据公开发表的最优算法，“九章三号”处理高斯玻色取样数学问题的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”1微秒可算出的最复杂样本，当前全球最快的超级计算机“前沿”（Frontier）约需200亿年。
为何能这么快？
“九章三号”项目牵头人陆朝阳教授告诉《瞭望》新闻周刊记者，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。
“好比走迷宫，传统计算机每次只能选择一条路去尝试，如果失败了，就只能从头再来。但是量子计算机走迷宫，就好比同时有10个人一起尝试不同的路，瞬间就把所有可能都尝试一遍，很快就能找到那条正确的路。”陆朝阳说。
量子计算的另一个特性是随着可操纵的量子数量增多，运算能力呈指数级增长。“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。
“九章三号”从结构上分为受激量子光源、超低损耗的量子光路、时空解复用的光纤环以及超导纳米线单光子探测器四大部分，较“九章二号”最大的升级在于“时空解复用的光纤环”技术。
“‘九章二号’无法解析光子具体数量，光纤环的应用能够大幅度提高光子的操纵水平。”陆朝阳说，与此同时，受激量子光源也是目前世界上损耗率最低、模式数最多的，这些创新提升了光子的数量和品质，以及计算的复杂度。
“九章三号”处于量子计算机
研制的什么阶段
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。
2020年，中国科学技术大学潘建伟团队与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建76个光子的“九章”量子计算原型机，首次在国际上实现光学体系的“量子计算优越性”。
2021年，他们进一步成功研制了113光子的可相位编程的“九章二号”和56比特的“祖冲之二号”量子计算原型机，使我国成为唯一在光学和超导两种技术路线都达到了“量子计算优越性”的国家。
那么，最新发布的“九章三号”处于哪个阶段？
“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。
量子计算机距离实用还有多远
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。
近年来，中外科学家持续攻关量子计算研究，不断取得重大突破。此次发布的“九章三号”，潘建伟团队在理论上首次开发了包含光子全同性的新理论模型，实现更精确的理论与实验吻合度，同时发展了完备的贝叶斯验证和关联函数验证。
陆朝阳告诉《瞭望》新闻周刊记者，即便是这样，“九章三号”距离通用量子计算机还很远。“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。”
国际主流观点认为，要实现通用量子计算机，至少还需要5年到10年乃至更长时间。
当前，国际量子计算研究呈加速态势，量子计算成为全球各国科研和战略布局的重点，包括IBM、谷歌等在内的科技巨头不断加码，各国政府和行业也正加速对量子计算的研发投资和政策扶持。
九章团队表示，期待这次突破能激发科学界更多关于经典算法模拟的研究，逐步解决各种科学和工程挑战，加快实现通用型量子计算机推动经济社会发展。“我们希望，能有更多优秀的年轻人加入进来，更多其他学科的学者加入进来，形成学科交叉，共同推动量子计算事业加速发展。”
（文 |《瞭望》新闻周刊记者 徐海涛 张泉 陈诺 《瞭望》2023年第43期 ）
