量子計算的中國速度：“九章三號”震撼全球

隨著人工智能技術的飛速發(fā)展，人類對計算機算力的需求顯著增加。2023年，中國科學家發(fā)布的“九章三號”量子計算機原型，為解決這一問題提供了一個重要的路徑和可能性。

“九章三號”是中國科學技術大學潘建偉院士團隊與中國科學院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術研究中心共同合作研發(fā)的光量子計算機。它可操縱的光子數(shù)目為255個，打破了光量子計算機中可控光子數(shù)目的世界紀錄。

量子計算原型機“九章三號”實驗裝置（局部示意圖）。

圖片來源：中國科學技術大學

那么，什么是量子計算機？“九章三號”為什么如此重要？為了搞清楚這一點，我們要先從量子計算說起。

量子計算與量子計算機

在傳統(tǒng)計算機處理數(shù)據(jù)的時候，記錄信息的最小單位是比特（bit）。一個比特可以記錄的信息是0或1其中的一個狀態(tài)，現(xiàn)在的計算機能完成各種復雜的任務，都是基于這些0和1的邏輯運算。

而在量子計算機中，用來記錄信息的最小單位是量子比特（qubit），因為量子存在一些特殊的性質，所以基于量子比特的計算機也擁有一些特殊優(yōu)勢。

比如，量子存在疊加態(tài)。

疊加態(tài)是說量子在被觀測之前，它的狀態(tài)是不確定的，可以是0和1的疊加狀態(tài)。這就賦予量子比特能同時表示多種狀態(tài)的能力。

在傳統(tǒng)計算機里，一個比特只能表示0或1中一種狀態(tài)，而一個量子比特，可以同時表示0和1兩個狀態(tài)。傳統(tǒng)計算機里的兩個比特，只能表示00，01，10，11四個狀態(tài)中的一種，而兩個量子比特可以同時表示這四種狀態(tài)。

依此類推，3個量子比特，能夠同時表示8種狀態(tài)，4個量子比特，能同時表示16種狀態(tài)，n個量子比特，可以表示2的n次方種狀態(tài)。

另外，量子之間還存在量子糾纏的現(xiàn)象，一個量子的狀態(tài)變化會瞬間影響另一個量子的狀態(tài)，這使得量子計算機在處理信息的時候，能在指數(shù)級增長的高維空間中進行編碼和處理，在進行某些計算的時候，獲得強大的并行計算能力，速度可以大大超越傳統(tǒng)計算機。

“九章”系列光量子計算機

在實現(xiàn)量子計算機時，有幾條不同的技術路徑，比如利用超導約瑟夫森電路中的一對超精細能級作為量子比特。而我們國家建立的“九章”系列光量子計算機，則是利用光子狀態(tài)作為量子比特。

2017年，中國科學技術大學潘建偉院士團隊就成功構建了世界上首臺超越經(jīng)典計算機的光量子計算機。

2020年，中科大潘建偉院士團隊又和中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算工程技術研究中心合作，一同構建了具有76個可控光子的“九章”光量子計算機原型。

“九章”首次在國際上實現(xiàn)了光量子計算機的“量子計算優(yōu)越性”。證明了光量子計算在處理特定復雜問題上具有卓越的能力。而之所以起“九章”這個名字，也是為了紀念中國最早的數(shù)學專著《九章算術》。

2021年，能探測113個光子的“九章二號”誕生，它在處理高斯玻色取樣這個問題上的能力已經(jīng)比當時最快的超級計算機快1億億億倍。

而到了2023年10月，“九章三號”原型機成果發(fā)布?！熬耪氯枴蹦軌蚓_操控255個光子，在處理高斯玻色取樣問題上的能力比“九章二號”快了一百萬倍。如果和目前最快的超級計算機“前沿”（Frontier）相比，“九章三號”在百萬分之一秒內能夠解決的問題，“前沿”超級計算機需要200億年的時間。

超越傳統(tǒng)計算機的極限

在過去八十多年的時間里，人類一直在研發(fā)更先進的計算機，計算機的運算速度確實有了顯著提升，也誕生了諸如“前沿”“神威·太湖之光”之類的超計算機。

但傳統(tǒng)計算機的算力提升主要是靠增加芯片里的晶體管數(shù)量來實現(xiàn)的，而為了提高晶體管信息處理的能效比，需要不斷縮小晶體管的尺寸。目前晶體管的尺寸已經(jīng)達到10nm量級，量子效應已經(jīng)變得不可忽略。而芯片發(fā)熱和能耗問題，也可能使傳統(tǒng)計算機的算力增長遇到“天花板”。

而隨著人工智能的發(fā)展，特別是大規(guī)模的AI模型訓練和應用，對算力需求快速增加。在此背景下，量子計算機憑借其超強的并行計算能力，展現(xiàn)出為未來算力提供飛躍式提升的潛力。此外，在密碼破譯、組合優(yōu)化、化學藥物開發(fā)等方面，量子計算機也可能發(fā)揮重要作用。

中國量子計算機未來可期

從“九章”到“九章三號”，中國科學家們不斷刷新量子計算機的世界紀錄，展示了光量子計算在解決復雜問題上的卓越能力。中國在量子計算領域的研究實力和技術創(chuàng)新能力已經(jīng)得到了全球認可。

在量子計算機的幫助下，2024年7月，潘建偉院士團隊首次成功構建了超越經(jīng)典計算機的量子模擬器。這是量子計算領域具有里程碑意義的一步，這意味著人類可以利用專用量子模擬機來求解某些重要的科學問題。

相信通過不斷地努力和創(chuàng)新，中國在量子計算機領域的成就必將進一步凸顯，為人類社會的發(fā)展和進步作出更大的貢獻，為科技進步和經(jīng)濟發(fā)展注入新的動力。

作者：田達瑋 科普作者

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