瞬息中見中國算力！這個計算機的名字，出自《九章算術》

科技立則民族立，科技強則國家強。

2023年，我國科技創(chuàng)新迎來眾多高光時刻：國產(chǎn)大飛機C919完成首次商業(yè)載客飛行，“九章三號” 刷新光量子信息技術世界紀錄，首個海上二氧化碳封存示范工程投用，空間站進入應用與發(fā)展新階段，首艘國產(chǎn)大型郵輪命名交付......

2024年開年之際，數(shù)字北京科學中心特策劃“科技新突破”欄目，盤點2023年在黨的領導下所取得的科技成果。

計算是一門古老的學問，中國的《九章算術》是世界最早系統(tǒng)闡述分數(shù)運算、正負數(shù)運算的著作。幾千年過去，人們對計算的需求早就脫離了普通的加減乘除。計算機出現(xiàn)后，進行復雜計算的速度和計算量得到了指數(shù)級的提升，算力的提升更是與現(xiàn)代社會產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關。

圖為光量子干涉實物圖。左下方為輸入光學部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導單光子探測器連接。

來源丨見水印

2023年10月，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功構建255個光子的量子計算原型機“九章三號”，再度刷新光量子信息技術世界紀錄，在處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍，“九章三號”1微秒可算出的最復雜樣本，當前全球最快的超級計算機“前沿”（Frontier）約需200億年。

什么是量子計算機？

量子計算機的概念由費曼提出，它在原理上具有超快的并行計算能力，可通過特定量子算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題模擬計算方面實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。因而，研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。

想要知道量子計算機有多厲害，我們先來了解一些專業(yè)術語。量子在物理學中，量子是所有物理特性的最小離散單元。它通常指原子或亞原子粒子，如電子、中微子和光子。量子比特量子比特是量子計算中的基本信息單位。傳統(tǒng)計算機的比特是二進制，只能存放 0 或 1 ，但量子比特可以存放所有可能狀態(tài)的疊加。疊加我們正常狀態(tài)下只能看見一枚硬幣的正面或反面，而量子粒子的狀態(tài)一直在波動，即包括硬幣正、反和交替的狀態(tài)，直到被觀察和測量，這就是處于疊加態(tài)。糾纏糾纏是量子粒子將其測量結果相互關聯(lián)的能力。當量子比特相互糾纏時，它們構成一個系統(tǒng)并相互影響。增加量子粒子數(shù)量或糾纏，就可以讓計算機處理更復雜的問題。量子干擾量子干擾是量子比特固有的行為，由于疊加而影響其坍縮方式的可能性。量子計算機需要盡可能減少干擾，確保結果的準確性。

圖為光量子干涉示意圖。

來源丨見水印

量子計算利用量子力學的獨特行為（如疊加、糾纏和量子干擾）并將其應用于計算。

為什么九章三號能這么快？

傳統(tǒng)計算機是由電子元器件組成，因此它的運算速度和能力原則上是存在“天花板”的，但量子計算機理論上不存在。

量子計算的運算邏輯和傳統(tǒng)計算機不同，傳統(tǒng)計算機基于二進制進行邏輯運算，每個晶體管相當于一個開關，通過開關的狀態(tài)表示0和1。每次運算只能處理一位信息，信息量越大，計算時間越長。而量子計算機采用量子比特，它利用量子力學特性（疊加態(tài)和糾纏態(tài)）實現(xiàn)運算。

“九章三號”光量子計算機

來源丨新華社

項目牽頭人陸朝陽教授說：“量子計算的一個重要特性是，隨著可操縱的量子數(shù)量增多，運算能力呈指數(shù)級增長。好比走迷宮，傳統(tǒng)計算機每次只能選擇一條路去嘗試，如果失敗了，就只能從頭再來。但是量子計算機走迷宮，就好比同時有10個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?！?/p>

實驗裝置示意圖來源|吉林日報

“九章二號”可操縱113個光子，“九章三號”可操縱255個光子，但“九章三號”運算能力的提升并不是2.26倍（255除以113得到），而是100萬倍。

“九章三號”從結構上分為受激量子光源、超低損耗的量子光路、時空解復用的光纖環(huán)以及超導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“時空解復用的光纖環(huán)”技術。

“九章二號”無法解析光子具體數(shù)量，光纖環(huán)的應用能夠大幅度提高光子的操縱水平。與此同時，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)，以及計算的復雜度。

量子計算機未來能做什么？

由于量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力與超大的計算量，科學家們期待量子計算機能夠支持破譯密碼、大數(shù)據(jù)分析、藥物分析、天氣預報、材料分析等高精尖領域更大更復雜的計算要求?，F(xiàn)代科技需要對更多更復雜的數(shù)據(jù)進行計算，傳統(tǒng)計算機可能需要耗費大量的時間和資源才能得出結果，甚至可能無法滿足計算需求，但要實現(xiàn)具有實用性的通用量子計算機，還有很長的路要走。

當前，國際量子計算研究呈加速態(tài)勢，量子計算成為全球各國科研和戰(zhàn)略布局的重點，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)也正加速對量子計算的研發(fā)投資和政策扶持。九章團隊也表示，期待這次突破能激發(fā)科學界更多關于經(jīng)典算法模擬的研究，逐步解決各種科學和工程挑戰(zhàn)，加快實現(xiàn)通用型量子計算機推動經(jīng)濟社會發(fā)展。

內(nèi)容綜合自：光明日報、人民日報、新華社新媒體、《瞭望》新聞周刊、吉林日報、封面新聞