原標題：瞭望丨新的算力里程碑
◇研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰之一
◇好比走迷宮，傳統計算機每次只能選擇一條路去嘗試，量子計算機可以同時嘗試多條不同的路，能更快找到那條正確的路
◇“九章三號”正在從“實現‘量子優越性’里程碑式突破”的階段向“解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題”的階段跨越
◇通用量子計算機需要操縱上千萬的量子比特，同時也要具備糾錯能力，這些都是目前九章系列量子計算原型機需要迭代實現的，量子技術的實用化是一場接力長跑
宋博 圖/本刊
10月11日，中國科學家宣布成功構建255個光子的“九章三號”量子計算原型機，求解高斯玻色取樣數學問題比目前全球最快的超級計算機快一億億倍，確立新的算力里程碑。
“九章三號”為什么能這么快？研制量子計算機進展到哪一步了？量子計算機距離實用還有多遠？《瞭望》新聞周刊記者獨家專訪了中國科學技術大學九章團隊。
比最快超算快一億億倍
為何能這么快
量子計算是一種遵循量子力學規律，調控量子信息單元進行計算的新型計算模式。1981年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼首先提出了量子計算機構想。
它在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面，相比傳統的電子計算機實現指數級別的加速。因而，研制量子計算機是當前世界科技前沿的最大挑戰之一。
最新發布的“九章三號”有多快？根據公開發表的最優算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣數學問題的速度比上一代“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。
為何能這么快？
“九章三號”項目牽頭人陸朝陽教授告訴《瞭望》新聞周刊記者，量子計算的運算邏輯和傳統電子計算機不同，傳統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比如疊加態和糾纏態，從而實現并行運算。
“好比走迷宮，傳統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。”陸朝陽說。
量子計算的另一個特性是隨著可操縱的量子數量增多，運算能力呈指數級增長。“九章二號”可操縱113個光子，“九章三號”可操縱255個光子，但運算能力的提升并不是255除以113得到的2.26倍，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”技術。
“‘九章二號’無法解析光子具體數量，光纖環的應用能夠大幅度提高光子的操縱水平。”陸朝陽說，與此同時，受激量子光源也是目前世界上損耗率最低、模式數最多的，這些創新提升了光子的數量和品質，以及計算的復雜度。
“九章三號”處于量子計算機
研制的什么階段
國際主流觀點認為，量子計算機的發展將有三個階段：
第一階段，研制50個到100個量子比特的專用量子計算機，實現“量子優越性”里程碑式突破。
第二階段，研制可操縱數百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題，比如量子化學、新材料設計、優化算法等。
第三階段，大幅提高量子比特的操縱精度、集成數量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算原型機。
2020年，中國科學技術大學潘建偉團隊與中國科學院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功構建76個光子的“九章”量子計算原型機，首次在國際上實現光學體系的“量子計算優越性”。
2021年，他們進一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機，使我國成為唯一在光學和超導兩種技術路線都達到了“量子計算優越性”的國家。
那么，最新發布的“九章三號”處于哪個階段？
“我認為，九章三號正在從第一階段向第二階段跨越。”陸朝陽說，他們在不斷鞏固第一階段實現的“量子優越性”基礎上，不斷探索第二階段的實用性開發，包括用來解決圖論、盲計算、量子精密測量等方面的一些問題，尋找在現實中有潛在應用價值的場景。
量子計算機距離實用還有多遠
潘建偉介紹，量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在密碼破譯、大數據優化、天氣預報、材料設計、藥物分析等領域，提供比傳統計算機更強的算力支持。但要實現具有實用性的通用量子計算機，還有很長的路要走。
近年來，中外科學家持續攻關量子計算研究，不斷取得重大突破。此次發布的“九章三號”，潘建偉團隊在理論上首次開發了包含光子全同性的新理論模型，實現更精確的理論與實驗吻合度，同時發展了完備的貝葉斯驗證和關聯函數驗證。
陸朝陽告訴《瞭望》新聞周刊記者，即便是這樣，“九章三號”距離通用量子計算機還很遠。“通用量子計算機需要操縱上千萬的量子比特，同時也要具備糾錯能力，這些都是目前九章系列量子計算原型機需要迭代實現的，量子技術的實用化是一場接力長跑。”
國際主流觀點認為，要實現通用量子計算機，至少還需要5年到10年乃至更長時間。
當前，國際量子計算研究呈加速態勢，量子計算成為全球各國科研和戰略布局的重點，包括IBM、谷歌等在內的科技巨頭不斷加碼，各國政府和行業也正加速對量子計算的研發投資和政策扶持。
九章團隊表示，期待這次突破能激發科學界更多關于經典算法模擬的研究，逐步解決各種科學和工程挑戰，加快實現通用型量子計算機推動經濟社會發展。“我們希望，能有更多優秀的年輕人加入進來，更多其他學科的學者加入進來，形成學科交叉，共同推動量子計算事業加速發展。”
（文?|《瞭望》新聞周刊記者?徐海濤?張泉?陳諾? 《瞭望》2023年第43期 ）
