這就是中國優(yōu)勢 | 科技優(yōu)勢（十）量子計算：中國彎道超車實現(xiàn)“量子霸權”

【導語】“可上九天攬月，可下五洋捉鱉，談笑凱歌還?！边@是一種豪情與詩意，也是當今中國正創(chuàng)造的奇跡。中國人對未知的好奇、對探索的渴望、對困境的思考以及對美好未來的期待，推開了一扇扇嶄新世界的大門：空間探測、生物醫(yī)藥、人工智能、量子科學……中國科技創(chuàng)新的步伐從未停止。正如習近平總書記所說，一切偉大成就都是持續(xù)奮斗的結果，一切偉大事業(yè)都需要在繼往開來中推進。新時代必將是大有可為的時代。

量子理論從問世以來已孕育出原子彈、激光、晶體管、核磁共振、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等等新技術，成為上世紀最重要的科學發(fā)現(xiàn)之一。進入21世紀，量子科技革命的第二次浪潮正撲面而來，在科學界看來，它催生了量子計算、量子通信和量子精密測量等一批新興技術，將極大地改變和提升人類獲取、傳輸和處理訊息等的方式和能力。

當下，有望給新一代計算機帶來革新的“量子計算機”的研究開發(fā)正在全球掀起熱潮。中國在量子計算領域捷報頻傳，隨著“九章二號”、“祖沖之二號”量子計算機陸續(xù)問世，中國成為國際量子科研版圖上的重要力量。

2020年12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，僅用200秒就能求解算法。（圖源：新華社）

量子計算為何如此重要？

早在上世紀80年代，就有科學家提出了將量子效應引入信息處理的構想，量子計算的概念開始出現(xiàn)在世人眼中。經(jīng)過近四十年的技術和理論發(fā)展后，量子計算正逐漸從模糊的構想化為現(xiàn)實。

與傳統(tǒng)計算機使用0或者1的比特來存儲信息不同，量子計算以量子比特作為信息編碼和存儲的基本單元。基于量子力學的疊加原理，一個量子比特可以同時處于0和1兩種狀態(tài)的相干疊加，即可以用于表示0和1兩個數(shù)。因此，量子計算提供了一種從根本上實現(xiàn)并行計算的思路，具備極大超越經(jīng)典計算機運算能力的潛力。

2017年5月3日，中國科學技術大學陸朝陽教授（中）和學生們在中國科學院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院上海實驗室檢查光量子計算機的運行情況。（圖源：新華社）

對于普通人來說，關于量子的學說都顯得高深莫測，但是難懂并不妨礙我們來認識它的重要性。量子計算作為這一場新量子革命中最具有代表性的技術，是未來計算技術的心臟。其優(yōu)勢在于可通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面，獲得比經(jīng)典計算機更強的算力。大規(guī)模通用容錯量子計算機可以在化學反應計算、材料設計、藥物合成、密碼破譯、大數(shù)據(jù)分析和機器學習、軍事氣象等領域產(chǎn)生顛覆性影響。

中國量子計算到底有多領先？

2016年11月26日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星過境，科研人員在做實驗。（圖源：新華社）

2020年12月，曾在量子通信領域研發(fā)全球首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號”的中國科學技術大學潘建偉研究團隊成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”。國際學術期刊《科學》評價，這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。有多重大？答案是：這一突破讓中國成為繼美國之后全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

在量子計算機的相關競爭中，“量子優(yōu)越性”特別受到關注。所謂“量子優(yōu)越性”，也被稱為“量子霸權”，這是一個科學術語，與國際政治無關，是指量子計算機如果在某個問題上的計算能力超過現(xiàn)有的最強的傳統(tǒng)計算機，就實現(xiàn)了相對傳統(tǒng)計算機的“霸權”。

至于“九章”算力有多強？它可以在200秒時間內(nèi)完成截至2020年世界排名第一的超級計算機日本“富岳”6億年才能完成的任務。同時，它也比2019年9月讓美國獲得首個“量子霸權”的谷歌發(fā)布53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

二維超導量子比特芯片示意圖, 每個橘色十字代表一個量子比特。（圖源：中國科學技術大學）

2021年5月，中國科學技術大學潘建偉研究團隊又成功研制出62比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之號”，并實現(xiàn)可編程的二維量子行走。該成果為在超導量子系統(tǒng)上實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，以及后續(xù)研究具有重大實用價值的量子計算奠定了技術基礎。

值得驕傲的是，此后不到一年，“九章”和“祖沖之”雙雙升級。與“九章”相比，“九章二號”極大地提高了量子優(yōu)勢：對于高斯玻色采樣問題，“九章”一分鐘完成的任務，超級計算機“富岳”需要花費一億年來解決；“九章二號”一毫秒可以解出的問題，“富岳”需要算30萬億年！最重要的是，“九章二號”還具有了部分可編程的能力。

“祖沖之二號”則通過操控其上的56個量子比特，在隨機線路采樣任務上實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性，所完成任務的難度比“懸鈴木”高2至3個數(shù)量級。這一系列令人矚目的成果，標志著中國已成為世界上唯一一個在超導和光量子兩個“賽道”上達到“量子優(yōu)越性”里程碑的國家。

通用量子計算機誕生或還需15年

光量子干涉實物圖。（圖源：中國科學技術大學）

目前的量子計算機還只能用于解決特定的問題，而距離最終研制“可編程的通用量子計算原型機”的發(fā)展階段還有很長一段距離，需要好幾道難關。因為量子計算機的計算能力隨量子比特數(shù)目呈指數(shù)增長，所以量子計算研究的核心任務是多量子比特的相干操縱。對量子計算機的研究，根據(jù)相干操縱量子比特的規(guī)模，國際學術界公認有三個里程碑階段——

第一個里程碑是實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機，達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。中國分別于2020年在光量子體系、2021年在超導線路體系實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”。

第二個里程碑是實現(xiàn)專用量子模擬機，即相干操縱數(shù)百個量子比特，用于解決若干超級計算機無法勝任的實用問題，例如量子化學、新材料設計、優(yōu)化算法等。達到該階段需要5至10年，是當前的主要研究任務。

第三個里程碑是實現(xiàn)可編程通用量子計算機，即相干操縱至少數(shù)百萬個量子比特，能在經(jīng)典密碼破解、大數(shù)據(jù)搜索、人工智能等方面發(fā)揮巨大作用。由于技術上的難度，何時實現(xiàn)通用量子計算機尚不明確，國際學術界一般認為還需要15年甚至更長時間。

由此可見，實現(xiàn)“量子霸權”并不是終點，而是一個起點。目前，中國已完成了所有重要量子計算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國在內(nèi)的三個具有完整布局的國家(地區(qū))之一。未來量子計算機將如何改變世界？且拭目以待。

(資料來源：中國科學院、新華社、觀察者網(wǎng)、學習時報、科技日報)