專訪九章團(tuán)隊(duì)：“九章三號(hào)”為什么能這么快？

◇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(hào)”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(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任、具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)題”的階段跨越

◇通用量子計(jì)算機(jī)需要操縱上千萬(wàn)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(chǎng)接力長(zhǎng)跑

（宋博 圖/《瞭望》新聞周刊）

10月11日，中國(guó)科學(xué)家宣布成功構(gòu)建255個(gè)光子的“九章三號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問(wèn)題比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍，確立新的算力里程碑。

“九章三號(hào)”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(guó)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(guò)特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問(wèn)題方面，相比傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)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(hào)”有多快？根據(jù)公開(kāi)發(fā)表的最優(yōu)算法，“九章三號(hào)”處理高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問(wèn)題的速度比上一代“九章二號(hào)”提升一百萬(wàn)倍?！熬耪氯?hào)”1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當(dāng)前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）約需200億年。

為何能這么快？

“九章三號(hào)”項(xiàng)目牽頭人陸朝陽(yáng)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(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)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(zhǎng)。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(lái)。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?yáng)說(shuō)。

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(jí)增長(zhǎng)?！熬耪露?hào)”可操縱113個(gè)光子，“九章三號(hào)”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(wàn)倍。

“九章三號(hào)”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(cè)器四大部分，較“九章二號(hào)”最大的升級(jí)在于“時(shí)空解復(fù)用的光纖環(huán)”技術(shù)。

“‘九章二號(hào)’無(wú)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(yáng)說(shuō)，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(hào)”處于量子計(jì)算機(jī)

研制的什么階段

國(guó)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(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任、具有重大實(shí)用價(jià)值的問(wèn)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、國(guó)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(guó)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(hào)”和56比特的“祖沖之二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)，使我國(guó)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(guó)家。

那么，最新發(fā)布的“九章三號(hào)”處于哪個(gè)階段？

“我認(rèn)為，九章三號(hào)正在從第一階段向第二階段跨越。”陸朝陽(yáng)說(shuō)，他們?cè)诓粩囔柟痰谝浑A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(kāi)發(fā)，包括用來(lái)解決圖論、盲計(jì)算、量子精密測(cè)量等方面的一些問(wèn)題，尋找在現(xiàn)實(shí)中有潛在應(yīng)用價(jià)值的場(chǎng)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(guò)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(zhǎng)的路要走。

近年來(lái)，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(hào)”，潘建偉團(tuán)隊(duì)在理論上首次開(kāi)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(yáng)告訴《瞭望》新聞周刊記者，即便是這樣，“九章三號(hào)”距離通用量子計(jì)算機(jī)還很遠(yuǎn)?！巴ㄓ昧孔佑?jì)算機(jī)需要操縱上千萬(wàn)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(chǎng)接力長(zhǎng)跑?！?/p>

國(guó)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(zhǎng)時(shí)間。

當(dāng)前，國(guó)際量子計(jì)算研究呈加速態(tài)勢(shì)，量子計(jì)算成為全球各國(guó)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(guó)政府和行業(yè)也正加速對(duì)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。“我們希望，能有更多優(yōu)秀的年輕人加入進(jìn)來(lái)，更多其他學(xué)科的學(xué)者加入進(jìn)來(lái)，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>