前沿科技丨中國首次實現量子優越性，比最強超級計算機快一百萬億倍
發表時間：2020-12-11
最近，不斷收到一些令人振奮的好消息，比如刷屏的重磅消息——“九章”的問世。
2020年12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科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。
這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優越性（國外也稱之為“量子霸權”）。相關論文于12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》。
“九章”牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定了技術基礎。
“九章”真有那么厲害？
關于“九章”的重要知識點，中國科學技術大學袁嵐峰老師為我們進行了簡單的歸納，其中包括：
◆ 量子力學是物理學的一個基礎理論。跟它相對的牛頓力學，被稱為經典力學。對微觀世界的正確描述一定要用量子力學，如果用經典力學就會犯錯。
量子信息學科內容
◆ 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。相應的，現有的我們在用的計算機被稱為經典計算機。
◆ 量子計算機有希望遠遠超過經典計算機，就像這里說的，超過一百萬億倍之類。
◆ 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，因為對這些特定的問題能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。
◆ 九章處理的問題，叫做“高斯玻色取樣”。大致可以理解為，一個光路有很多個出口，問每一個出口有多少光出去。
2019年潘建偉和陸朝陽等人關于用玻色子取樣尋求實現量子霸權的文章
◆ 量子計算機在某個問題上超越現有的最強的經典計算機，被稱為“量子優越性”或“量子霸權”。九章的成果，就是實現了量子優越性。
◆ 2019年，谷歌第一個宣布實現了量子優越性。他們用的量子計算機叫做“懸鈴木”，處理的問題大致可以理解為：判斷一個量子隨機數發生器是不是真的隨機。
◆ 九章跟懸鈴木的區別，一是處理的問題不同，二是用來造量子計算機的物理體系不同。九章用的是光學，懸鈴木用的是超導。這兩個沒有孰優孰劣，只是不同的技術路線。
◆ 請注意措辭，九章的成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的“第一方陣”地位。這是因為有懸鈴木在前，九章畢竟是第二個，所以只是說中國跟美國相差不遠。而在量子通信方面，我們就不說什么“第一方陣”了。因為那里沒有方陣，中國明確是世界最先進的！
此外，量子計算機的快速運算還有平常卻廣泛的運用 。例如，送貨車如何選擇最有效率的路線送貨，可以借助量子計算機的幫助。這也絕非“大材小用”。
中國物理學家研制出的“九章”，不但體現了真正的“量子計算優勢”，而且還是一臺具有潛在應用價值的量子計算裝置。
這個階段的量子計算，可能就像1814年的火車，和1903年的飛機一樣，科學意義大于實用價值。
量子計算實用還有多遠？
第二階段， 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）。
第三階段， 研制可編程的通用量子計算原型機。
2020年12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科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。
根據現有理論，該量子計算系統處理“高斯玻色取樣”這一特定問題的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。等效地，其速度比去年谷歌發布的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。
這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優越性（國外也稱之為“量子霸權”）。相關論文于12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》。
“九章”牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定了技術基礎。
“九章”真有那么厲害？
關于“九章”的重要知識點，中國科學技術大學袁嵐峰老師為我們進行了簡單的歸納，其中包括：
◆ 量子力學是物理學的一個基礎理論。跟它相對的牛頓力學，被稱為經典力學。對微觀世界的正確描述一定要用量子力學，如果用經典力學就會犯錯。
量子信息學科內容
◆ 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。相應的，現有的我們在用的計算機被稱為經典計算機。
◆ 量子計算機有希望遠遠超過經典計算機，就像這里說的，超過一百萬億倍之類。
◆ 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，因為對這些特定的問題能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。
◆ 九章處理的問題，叫做“高斯玻色取樣”。大致可以理解為，一個光路有很多個出口，問每一個出口有多少光出去。
2019年潘建偉和陸朝陽等人關于用玻色子取樣尋求實現量子霸權的文章
◆ 量子計算機在某個問題上超越現有的最強的經典計算機，被稱為“量子優越性”或“量子霸權”。九章的成果，就是實現了量子優越性。
◆ 2019年，谷歌第一個宣布實現了量子優越性。他們用的量子計算機叫做“懸鈴木”，處理的問題大致可以理解為：判斷一個量子隨機數發生器是不是真的隨機。
◆ 九章跟懸鈴木的區別，一是處理的問題不同，二是用來造量子計算機的物理體系不同。九章用的是光學，懸鈴木用的是超導。這兩個沒有孰優孰劣，只是不同的技術路線。
◆ 請注意措辭，九章的成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的“第一方陣”地位。這是因為有懸鈴木在前，九章畢竟是第二個，所以只是說中國跟美國相差不遠。而在量子通信方面，我們就不說什么“第一方陣”了。因為那里沒有方陣，中國明確是世界最先進的！
為何“九章”如此重要？
“九章”的問世是我國在量子科技領域實現的又一飛躍，它的意義是多方面的。
此外，量子計算機的快速運算還有平常卻廣泛的運用 。例如，送貨車如何選擇最有效率的路線送貨，可以借助量子計算機的幫助。這也絕非“大材小用”。
中國物理學家研制出的“九章”，不但體現了真正的“量子計算優勢”，而且還是一臺具有潛在應用價值的量子計算裝置。
這個階段的量子計算，可能就像1814年的火車，和1903年的飛機一樣，科學意義大于實用價值。
量子計算實用還有多遠？
對于量子計算機的研究，本領域內的國際同行公認有三個指標性的發展階段：
第二階段， 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）。
第三階段， 研制可編程的通用量子計算原型機。
經典計算機從專用機發展到通用機，走過了幾十年歷程，現在的量子計算機就還處在最早期的專用機時代。就算是最快的“九章”，也只跨越了第一階段。但不可否認，“九章”的問世是一個巨大的鼓舞，未來可期。
不管量子計算機現在有多么初級，總有一天，它會像曾經的火車和飛機一樣，一步一步向我們走來。
