“祖沖之二號”和“九章二號”來了，我國也因此成為目前世界上唯一在兩種物理體系都達到“量子計算優(yōu)越性”（quantum supermacy）里程碑的國家！

10月25日，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院科研團隊在國際知名物理學期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，同日發(fā)表了兩篇量子計算方面的論文，論文介紹了團隊在 超導電路和 光量子兩種系統(tǒng)的量子計算方面取得的重要進展。

其中“祖沖之二號”實現(xiàn)了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解，在求解該問題上 比現(xiàn)有最快的超級計算機快出一千萬倍。“九章二號”在處理玻色子取樣（boson sampling）問題上，速度比超級計算機更是 快出了億億億倍，同時還擁有了更強的硬件編程能力。

“祖沖之二號”示意圖丨參考文獻[2]

“祖沖之2.0”與“九章2.0”并不只是把1簡單換成了2，對于“祖沖之二號”而言，量子優(yōu)越性的實現(xiàn) 標志著量子計算踏入了發(fā)展的第二階段，相關架構為實現(xiàn)通用量子計算奠定了基礎。

“九章二號”的“億億億倍”更是 刷新了國際上光量子操縱的技術水平。著名量子物理學家、加拿大Calgary大學教授Barry Sanders同時受邀在Physics網站上謄寫長篇評述文章，稱贊該工作是 “令人激動的實驗杰作”（dramatic tour de force.....）， “令人印象深刻的最前沿的進步”（an impressive advance over the state-of-the-art）。

Barry Sanders的評述丨參考文獻[1]

什么是量子計算機？量子計算機為什么厲害？量子優(yōu)越性又是什么？ AI準備了一份友好的簡易說明書，你能在這里找到看得懂的答案 。

量子計算機是計算機嗎？

是，但和我們現(xiàn)在所理解的“電腦”差別很大—— 兩者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關進行計算，而量子計算機則是以微觀物理系統(tǒng)的量子態(tài)作為計算形式。

我們日常用的電腦，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字， 這些信息在硬件電路里都會轉換成 1 和 0（在電路中則表達為“開”和“關”），再進行傳輸、運算與存儲。正是因為這種 0 和 1 的“計算”過程，電腦才被稱為“數(shù)字計算機”。

世界上第一臺電子數(shù)字計算設備：阿塔納索夫-貝瑞計算機 | Wikimedia Commons

量子計算機則以量子力學系統(tǒng)所描述的狀態(tài)作為計算形式。目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統(tǒng)，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子或者微觀系統(tǒng)。比如“祖沖之號”使用的是超導約瑟夫森結系統(tǒng)，而“九章號”使用的是光量子系統(tǒng)。

為什么量子計算機可以“超快”？

傳統(tǒng)的數(shù)字電路只有 0 或 1 兩種選擇， 量子計算機使用的粒子則能夠同時處于多種狀態(tài)。以光子為例，光除了亮與滅，其本身有著不同的偏振態(tài)，這種偏振態(tài)可以表示除了 0 與 1 之外的多組信息，量子計算機因而能夠同時承載更多內容。普通的計算機單元一次只能處理一個數(shù)據單元，稱之為 1 個比特；量子計算機則可以一次處理 1 個“量子比特”，這不僅是0和1的狀態(tài)，而是一種疊加態(tài)，可以簡單認為這是 包含了多個數(shù)據，從而使處理速度大大提升。

自然光在各個方向上振動（如2），通過“偏振片”（如3）的過濾后，僅留下特定方向振動的“偏振光”（如4）| Wikimedia Commons

超級計算機也以處理速度快而著稱，但它與量子計算機不一樣。超級計算機本質上還是以傳統(tǒng)計算機二進制（0 與 1）為基礎的，運算速度依然受限于電路的性能，而量子計算機完全屬于另一個體系。

量子計算機擅長解決什么問題？

正如上面所說的，量子計算機最大的特點就是計算速度快，太快了。舉個例子，小學的時候都學過 質因數(shù)分解，例如 6 可以分解為 2 和 3 兩個質數(shù)；但如果數(shù)字很大，質因數(shù)分解就是一個很難的數(shù)學問題。1994 年，為了分解一個 129 位的大數(shù)，科學家同時動用了 1600 臺高端計算機，花了 8 個月的時間才分解成功； 但量子計算機理論上只需 1 秒鐘就可以破解。

大數(shù)質因數(shù)分解是許多安全系統(tǒng)的基礎，基于此的加密算法——例如互聯(lián)網應用最廣泛的 RSA 加密算法，則可能會 因為量子計算機的研制成功而被量子計算Shor算法攻破。

量子計算機需要安裝系統(tǒng)嗎？

量子計算機本身就是一套“系統(tǒng)”，獨立的光學組件提供了硬件， 復雜的光路結構則決定了它的“算法”。例如，以光子作為量子比特的量子計算機，需要能夠產生光子的單光子源，能夠改變光子狀態(tài)、完成“算法”的特定光路結構，還需要單光子探測器對光子的最終狀態(tài)進行觀測。

光量子計算機原型圖 | 墨子沙龍

不過，對于量子計算機的控制，仍然 需要通過電腦進行信息的輸入和輸出。就像下圖這樣，工作人員在電腦上輸入控制指令等數(shù)據，數(shù)據在量子計算機控制系統(tǒng)中進行復雜的轉換和運算，最后得到的結果則會傳輸回工作人員的普通電腦上。

量子計算機的實際操作過程 | 參考文獻[8]

什么是量子計算優(yōu)越性？

量子計算機的 理想狀態(tài)則是通用量子計算機。這樣的量子計算機將被用來解決任何可解的問題，在很多領域會得到廣泛應用。然而，目前量子比特數(shù)還遠遠不夠，糾錯容錯技術也不夠完善，大大限制了計算能力。所以在這之前，研究者們都在努力達到第一步—— “量子計算優(yōu)越性”。

簡單來說，只要在某些特定的問題上，采用無需糾錯的專用量子計算機（也稱量子模擬機），計算（模擬）該問題的能力超越了任何經典計算機，這就叫做“量子計算優(yōu)越性”（quantum supermacy）。這在之前也被稱為 “量子霸權”，雖然聽起來很有震懾力，但這其實只是量子計算機發(fā)展的一個階段，還沒有達到最理想的狀態(tài)。

目前，世界上的量子計算機研究大多是 針對用某個特定的問題。例如“九章號”就是專門用以解決玻色子采樣問題，這是用來測試量子計算優(yōu)越性的熱門問題。

通用量子計算機是未來的研究方向 | 墨子沙龍

量子計算機最主要的優(yōu)勢，是能夠用物理系統(tǒng)上根本的并行能力，可以同時對大量數(shù)據進行處理。“祖沖之”與“九章”在不同體系都實現(xiàn)了“量子計算優(yōu)越性”，在量子計算領域邁出了重要的一步。

中國科學院院士潘建偉在接受央視采訪時提到：下一步我們希望能夠通過4到5年的努力實現(xiàn)量子糾錯，在使用量子糾錯的基礎之上，我們就可以來探索用一些專用的量子計算機或者（稱作）量子模擬機來 解決一些具有重大應用價值的科學問題。來源：果殼網