我國正處在量子計算機領域的發展前端

隨著《流浪地球2》的熱播，量子計算機成為了網絡熱門話題。那么我國在量子計算機領域出于什么位置呢？目前，我國超導量子計算原型機“祖沖之二號”實現了量子計算優越性。這一成果是我國繼光量子計算原型機“九章”后，在超導量子比特體系首次達到“量子計算優越性”的里程碑，標志著我國已成為世界上唯一一個在超導和光量子兩個“賽道”上達到“量子優越性”里程碑的國家。

| 什么是量子計算機

量子計算機是用量子力學原理制造的計算機，目前還處于很初步的階段。我們日常使用的電腦，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字，這些信息在硬件電路里都會轉換成1和0，每個比特要么代表0，要么代表1，這些比特就是信息，然后再進行傳輸、運算與存儲。正是因為這種0和1的“計算”過程，電腦才被稱為“計算機”。

而量子計算，則是利用量子天然具備的疊加性，施展并行計算的能力。量子力學允許一個物體同時處于多種狀態，0和1同時存在，就意味著很多個任務可以同時完成，因此具有超越計算機的運算能力。每個量子比特，不僅可以表示0或1，還可以表示成0和1分別乘以一個系數再疊加，隨著系數的不同，這個疊加的形式可能性會很多很多。

目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子。量子計算機并不是對所有的問題都超過經典計算機，而是只對某些特定的問題超過經典計算機，因其對這些特定的問題設計出高效的量子算法。對于沒有量子算法的問題，例如最簡單的加減乘除，量子計算機就沒有任何優勢。

| 量子計算機的發展階段

量子計算發展有三個階段：

第一是實現量子計算優越性。發展具備50～100個量子比特的高精度專用量子計算機，對于一些超級計算機無法解決的高復雜度特定問題實現高效求解，實現計算科學中“量子計算優越性”的里程碑。

第二是制成實用量子模擬機。通過對規�；�多體量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機，用于解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題（如量子化學、新材料設計、優化算法等）。

第三是制成通用量子計算機。通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發展起來的各種技術，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特數目（百萬量級），實現容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。

| 什么是“量子計算優越性”

量子計算優越性又稱之為“量子霸權”，是指用量子計算機解決經典計算機實際解決不了的問題。這個術語最早由加州理工學院物理教授約翰·普利斯基爾提出。根據現有理論，量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度將比目前最快的超級計算機快百億倍。

簡單來說，在理論上，只要給足夠的時間，經典計算機可以解決任何可計算的問題。因此，“量子優越性”的標準是在同一個計算任務上，但是量子計算機比經典計算機有顯著的（指數）加速。也就是說，同樣處理高斯玻色取樣計算，量子計算機用 200 秒就可完成，而用目前最強的超級計算機，要花費 10000 年才能完成。其意義就不言而喻了。

| “九章二號”

它是我國光量子計算原型機“九章號”的升級版，其名字的來源是我國著名的數學專著《九章算術》，代表著人們對“計算能力及速度”的超高追求。

算力得到巨大提升的九章二號

實際上，最初九章號誕生的時候，大家就覺得已經很令人驕傲了。但是科研團隊卻認為遠遠不夠，所以他們又對九章號進行了改良升級，最終讓性能更高的“九章二號”順利誕生。 “九章二號”在激光‘受激發輻射放大’概念的啟發下，對量子光源進行了改進，使光子的產率較之前提升了三倍，光源關鍵指標也從63%提升到92%。除此之外，九章二號的多光子量子干涉線路與探測到的光子數都有增加，前者從以前的100維度增加到了144維度和113個光子。

在基礎性能提高的情況下，九章二號還具備了相位可編程功能，即使是不同參數的數學問題也能順利求解。當然，最重要的還是它的計算速度。根據科學家的描述，九章二號的處理速度要比超級計算機快億億億倍，這個“倍數”直接將超級計算機遠遠甩在了身后。

| “祖沖之二號”

“祖沖之二號”量子處理器

“祖沖之二號”處理的量子隨機線路取樣問題的速度比目前最快的超級計算機快7個數量級，計算復雜度比谷歌公開報道的53比特超導量子計算原型機“懸鈴木”提高了6個數量級。通過量子編程的方式，研究人員實現了對量子隨機線路取樣，演示了“祖沖之二號”可用于執行任意量子算法的編程能力。量子計算優越性的成功演示標志著量子計算研究進入到發展的第二階段，開始量子糾錯和近期應用的探索。 “祖沖之二號”的并行高保真度量子門操控能力和完全可編程能力，有望在特定領域找到有實用價值的應用，預期應用包括量子機器學習、量子化學、量子近似優化等。目前研究團隊已在進行更復雜的實驗，以期不斷刷新紀錄，五年之后，希望可以驗證“有糾錯保護的量子比特”，最終走向通用容錯的量子計算。

| 量子計算機的應用

量子計算機能不能處理有實用價值的問題？答案是：能。例如因數分解，量子計算機就是有快速算法的。量子計算機能快速進行因數分解，就意味著能快速破解密碼。問題只是在于，現有的量子計算機只能分解很小的數，還不足以破解實用的密碼。所以在實現量子優越性之后，下一個重要的目標就是針對一個有實用價值的問題，造出超越經典計算機的量子計算機。

從軍用的角度來看，量子計算機可以用來截取敵方關鍵信息、情報分析、開發更為先進的武器系統。再者，量子計算機可以對收集到的海量情報信息進行分析，促使指揮者們能夠更好地感知戰場態勢。與此同時，再將無人機與量子計算機結合起來，就能促使無人機蜂群戰術的攻擊力更上一個層次。 從民用的角度來看，量子計算機將會在通訊、金融、醫療、能源等方面產生積極作用。畢竟未來的高信息化，現在的計算體系恐怕難以支撐，而量子通信已經得以論證。再者，像醫療器械和制藥，都是需要進行精密計算求解的，而使用量子計算機后，高速運算不僅更準確，用時也更短，而這樣也能有效助推研究一些疑難雜癥的治療方法。

也許將來，我們能夠用光學實現真正強大的量子計算機，也就是可編程的、能處理很多有實用價值問題的量子計算機。

（圖片來源于網絡）