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前沿科技丨中國首次實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，比最強(qiáng)超級計(jì)算機(jī)快一百萬億倍
發(fā)表時(shí)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(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。
這一成果使得我國成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑：量子計(jì)算優(yōu)越性（國外也稱之為“量子霸權(quán)”）。相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
“九章”牢固確立了我國在國際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位，為未來實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
“九章”真有那么厲害？
關(guān)于“九章”的重要知識點(diǎn)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)袁嵐峰老師為我們進(jìn)行了簡單的歸納，其中包括：
◆ 量子力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)理論。跟它相對的牛頓力學(xué)，被稱為經(jīng)典力學(xué)。對微觀世界的正確描述一定要用量子力學(xué)，如果用經(jīng)典力學(xué)就會犯錯(cuò)。
量子信息學(xué)科內(nèi)容
◆ 量子計(jì)算機(jī)是用量子力學(xué)原理制造的計(jì)算機(jī)，目前還處于很初步的階段。相應(yīng)的，現(xiàn)有的我們在用的計(jì)算機(jī)被稱為經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
◆ 量子計(jì)算機(jī)有希望遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，就像這里說的，超過一百萬億倍之類。
◆ 量子計(jì)算機(jī)并不是對所有的問題都超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而是只對某些特定的問題超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，因?yàn)閷@些特定的問題能設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)就沒有任何優(yōu)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(gè)光路有很多個(gè)出口，問每一個(gè)出口有多少光出去。
2019年潘建偉和陸朝陽等人關(guān)于用玻色子取樣尋求實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的文章
◆ 量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問題上超越現(xiàn)有的最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，被稱為“量子優(yōu)越性”或“量子霸權(quán)”。九章的成果，就是實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。
◆ 2019年，谷歌第一個(gè)宣布實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。他們用的量子計(jì)算機(jī)叫做“懸鈴木”，處理的問題大致可以理解為：判斷一個(gè)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是不是真的隨機(jī)。
◆ 九章跟懸鈴木的區(qū)別，一是處理的問題不同，二是用來造量子計(jì)算機(jī)的物理體系不同。九章用的是光學(xué)，懸鈴木用的是超導(dǎo)。這兩個(gè)沒有孰優(yōu)孰劣，只是不同的技術(shù)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(jì)算研究中的“第一方陣”地位。這是因?yàn)橛袘意從驹谇埃耪庐吘故堑诙€(gè)，所以只是說中國跟美國相差不遠(yuǎn)。而在量子通信方面，我們就不說什么“第一方陣”了。因?yàn)槟抢餂]有方陣，中國明確是世界最先進(jìn)的！
此外，量子計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算還有平常卻廣泛的運(yùn)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(jì)算機(jī)的幫助。這也絕非“大材小用”。
中國物理學(xué)家研制出的“九章”，不但體現(xiàn)了真正的“量子計(jì)算優(yōu)勢”，而且還是一臺具有潛在應(yīng)用價(jià)值的量子計(jì)算裝置。
這個(gè)階段的量子計(jì)算，可能就像1814年的火車，和1903年的飛機(jī)一樣，科學(xué)意義大于實(shí)用價(jià)值。
量子計(jì)算實(shí)用還有多遠(yuǎn)？
第二階段， 研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī) ，用于解決若干超級計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題（如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等）。
第三階段， 研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。
2020年12月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。
根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計(jì)算系統(tǒng)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(jì)算機(jī)快一百萬億倍。等效地，其速度比去年谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。
這一成果使得我國成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑：量子計(jì)算優(yōu)越性（國外也稱之為“量子霸權(quán)”）。相關(guān)論文于12月4日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。
“九章”牢固確立了我國在國際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位，為未來實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
“九章”真有那么厲害？
關(guān)于“九章”的重要知識點(diǎn)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)袁嵐峰老師為我們進(jìn)行了簡單的歸納，其中包括：
◆ 量子力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)理論。跟它相對的牛頓力學(xué)，被稱為經(jīng)典力學(xué)。對微觀世界的正確描述一定要用量子力學(xué)，如果用經(jīng)典力學(xué)就會犯錯(cuò)。
量子信息學(xué)科內(nèi)容
◆ 量子計(jì)算機(jī)是用量子力學(xué)原理制造的計(jì)算機(jī)，目前還處于很初步的階段。相應(yīng)的，現(xiàn)有的我們在用的計(jì)算機(jī)被稱為經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
◆ 量子計(jì)算機(jī)有希望遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，就像這里說的，超過一百萬億倍之類。
◆ 量子計(jì)算機(jī)并不是對所有的問題都超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而是只對某些特定的問題超過經(jīng)典計(jì)算機(jī)，因?yàn)閷@些特定的問題能設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)就沒有任何優(yōu)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(gè)光路有很多個(gè)出口，問每一個(gè)出口有多少光出去。
2019年潘建偉和陸朝陽等人關(guān)于用玻色子取樣尋求實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)的文章
◆ 量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問題上超越現(xiàn)有的最強(qiáng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，被稱為“量子優(yōu)越性”或“量子霸權(quán)”。九章的成果，就是實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。
◆ 2019年，谷歌第一個(gè)宣布實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性。他們用的量子計(jì)算機(jī)叫做“懸鈴木”，處理的問題大致可以理解為：判斷一個(gè)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是不是真的隨機(jī)。
◆ 九章跟懸鈴木的區(qū)別，一是處理的問題不同，二是用來造量子計(jì)算機(jī)的物理體系不同。九章用的是光學(xué)，懸鈴木用的是超導(dǎo)。這兩個(gè)沒有孰優(yōu)孰劣，只是不同的技術(shù)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(jì)算研究中的“第一方陣”地位。這是因?yàn)橛袘意從驹谇埃耪庐吘故堑诙€(gè)，所以只是說中國跟美國相差不遠(yuǎn)。而在量子通信方面，我們就不說什么“第一方陣”了。因?yàn)槟抢餂]有方陣，中國明確是世界最先進(jìn)的！
為何“九章”如此重要？
“九章”的問世是我國在量子科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的又一飛躍，它的意義是多方面的。
此外，量子計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算還有平常卻廣泛的運(yùn)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(jì)算機(jī)的幫助。這也絕非“大材小用”。
中國物理學(xué)家研制出的“九章”，不但體現(xiàn)了真正的“量子計(jì)算優(yōu)勢”，而且還是一臺具有潛在應(yīng)用價(jià)值的量子計(jì)算裝置。
這個(gè)階段的量子計(jì)算，可能就像1814年的火車，和1903年的飛機(jī)一樣，科學(xué)意義大于實(shí)用價(jià)值。
量子計(jì)算實(shí)用還有多遠(yuǎn)？
對于量子計(jì)算機(jī)的研究，本領(lǐng)域內(nèi)的國際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：
第二階段， 研制可相干操縱數(shù)百個(gè)量子比特的量子模擬機(jī) ，用于解決若干超級計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題（如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等）。
第三階段， 研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。
經(jīng)典計(jì)算機(jī)從專用機(jī)發(fā)展到通用機(jī)，走過了幾十年歷程，現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)就還處在最早期的專用機(jī)時(shí)代。就算是最快的“九章”，也只跨越了第一階段。但不可否認(rèn)，“九章”的問世是一個(gè)巨大的鼓舞，未來可期。
不管量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在有多么初級，總有一天，它會像曾經(jīng)的火車和飛機(jī)一樣，一步一步向我們走來。
