材制视角 | 划时代的突破！ ——“九章”量子计算机
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2019年九月，谷歌方面宣布：他们已经成功利用自主研发的“悬铃木”量子计算机，实现了一项超高难度的计算任务。在这项目前世界上最牛的超级计算机需要计算近万年的实验中，“悬铃木”只用了短短几分钟。
但就在2020年12月4日，“人民日报”微信公众号转载“中国科学技术大学”（ID: ustnews）消息：中国科学家潘建伟等人成功构建了一台76个光子（传递电磁相互作用的基本粒子）的量子计算原型机“九章”。根据现有理论，求解同样的一个问题，“九章”200秒完成的计算任务，目前世上最快的超级计算机需要花费6亿年。等效地，“九章”的速度比谷歌发布的量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的里程碑，使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家！
到底是那些零件构造出了这个神奇的
“大玩具”呢？
其实并不复杂。
让我们以先前IBM推出的
50量子位计算机为例：
1. 量子位信号放大器
Qubit signal amplifier
2.输入微波线路
input microwave lines
每个容器都处于类似冰箱的环境中，从而保护量子位在发出信号的过程中控制热噪声以及读取信号。
3.超导同轴设备
superconducting coaxial lines
为了尽量减少能量损失，在第一和第二连接轴之间插入信号同轴线，放大级由超导体制成.
4.量子放大器
quantum amplifiers
磁屏遮罩内的量子放大器，放大处理读取信号，并将噪音最小化。
5.混合室
mixing chamber
冰箱最底部的混合室提供了必要的冷却能力，使处理器和相关部件的温度降低到15毫开尔文，比外层空间更冷。
6.低温光电隔离器
cryogenic isolators
低温隔离器可以使量子信号向前发送同时防止噪声影响其质量。
7.低温盾
Cryoperm shield
量子处理器位于一个屏蔽层内，保护其免受电磁辐射的影响，控制信号质量。
大同小异地，上图是“悬铃木”的组装过程，其中最显眼的，是中间抛光的钢制圆管，那是量子比特的保护壳。整个计算机一共有若干个外壳，一层一层地包住量子比特，目的就是用来保护它免受外界干扰。
量子计算机究竟有多厉害？
让我们举个例子：
大家都应该听说过比特币吧（一种稀有的虚拟货币），谷歌量子计算机的消息一发布，比特币价格突然闪崩，一小时内从8000美元下降至7500美元附近，跌幅高达500美元，创下五个月内最低价格。
WHY?!
因为，量子计算机可怕的计算能力，恰恰是比特币最大的克星：比特币拥有高强度的算法，需要依靠繁杂的计算完成解密，此过程被网民称为“挖矿”，一旦量子计算机投入到“挖矿”行业中，原计划在2140年才能挖完的2100万枚比特币将很快被挖完，乃至被破解！
这么说可能不够接地气，那我们换个例子。设想某家银行采用了世界上最安全、加密最复杂的安保系统，要破解这套安保系统，需要多少时间呢？用当前最好超级计算机需要花约60万年，但用一个有相当储存功能的量子计算机来计算，则只需花上不到3个小时！
这两个例子已经足以证明量子计算机的威力：我们曾经引以为傲的传统计算机，在量子计算机面前显得既笨重又古老，甚至瞬间被碾压！
有人或许会追问：量子计算机为什么那么牛？
中国有一个寓言，叫“杨子见歧路而哭之”。杨朱听说自己的羊在道路分叉的地方走失了，不知道走哪条路去寻找，难过的哭了。传统计算机解答问题也是这种套路：只能是先走一条路，然后再走另外一条路，做不到两条路同时走。
而量子计算机可以像孙悟空变出很多个小猴子走不同的路一样，搞平行计算。这就相当于，一台计算机，一下子化身成千万台计算机，同时开工来完成一项超复杂的运算
“九章”对阵“悬铃木”
我国科学家们之所以将这台新量子计算机命名为“九章”，是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》，它的出现标志中国古代数学形成了完整的体系，是一部具有里程碑意义的历史著作。而这台叫做“九章”的计算机，也同样是我们中国历史的丰碑。
根据目前最优的经典算法，“九章”花 200 秒采集到的 5000 个样本，如果用我国的“太湖之光”，需要运行 25 亿年，如果用目前世界排名第一的超级计算机“富岳”，也需要 6 亿年。这样的优势十分明显。而对于“悬铃木”来说，200 秒完成的任务，超算 Summit 需要 2 天，考虑 Summit 和富岳的算力差距，“九章”等效地比“悬铃木”快 100 亿倍！
我们再来回顾一下“悬铃木”在其他实验的情况。谷歌 53 比特随机线路取样实验中，量子优越性是依赖于样本数量的。虽然采集100万个样本时，“悬铃木”需要 200 秒，超算需要 2 天，量子计算相比于超级计算机有优越性；但如果采集 100 亿个样本的话，超算仍然只需要 2 天，但“悬铃木”却需要 20 天才能完成这么大的样本采样，量子计算反而丧失了其引以为傲优越性。
此外，在态空间方面，“九章”也以输出量子态空间规模达到 1030 的优势远远优于“悬铃木”，“悬铃木”输出量子态空间规模是 1016，而目前全世界的存储容量是 1022。而且，“九章”运行的温度也远没有“悬铃木”那样苛刻，除探测部分需要 4开尔文的低温以外，其他部分都是在常温下运行的。
“九章”的出色表现，牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。
未来展望
“九章”的问世，为多个领域的发展锦上添花。
首先在计算机、IT和数学领域，在某个特定问题上的计算能力远超现有最强的传统计算机。此外，它还可以通过量子计算机建立量子通信网络和量子互联网等。
其次，如密码破译、大数据优化、材料设计、药物研发等领域，量子计算机都有用武之地，从而帮助解决重大的国计民生问题，并产生巨大的经济价值。有科学家预言，量子计算机会被广泛使用，甚至在未来的某一天会人手一台量子计算机（梦想还是要有的，万一实现了呢）。
值得一提的是，它还与药物研发息息相关。
眼下，新冠肺炎肆虐全球，目前虽然已经有一些疫苗问世，但是真正能做到彻底消灭病毒的药物研发却遥遥无期，原因之一就在于筛选药物分子这一环节遭遇瓶颈。
以传统的实验筛选前期药物分子的方法，成功的希望十分渺茫。若使用量子计算机辅助进行新药研发，其快速算法可以加快药物的研究，从而将大大提高成功率并能很大程度上降低成本。
此外，量子计算机的超快运算能力还有平常却极其实用的运用。例如，物流行业如何选择最有效率的路线送货，可以借助量子计算机的帮助。这也绝非“大材小用”。
当然，也要看到，与通用计算机相比，“九章”从实验室走向广阔的生活生产场景，还需要漫长的时间。更严谨如研究人员所评估的那样，“九章”是否完全实用和通用，可以解决所有计算问题，还需要进一步验证。但不可否认，“九章”的问世是一个巨大的鼓舞，科学界对量子计算的探索是永无止境的，数十年后的今天，美好的前景值得我们去期待！
参考文献：
百度百科《量子计算机》
科研圈《中国学者挑战谷歌“量子霸权”：潘建伟团队构建量子计算机“九章”，实现算力全球领先》
量子客《技术之战--量子计算之战愈演愈烈》
中国知网《量子计算机如何重塑人类未来》
“人民日报”微信公众号12月4日文章：《里程碑式突破！我国量子计算原型机“九章”问世》
撰 稿 人：科技协会科创部 刘鑫禹 马浩然
责任编辑：科技协会主席团成员 于世龙
执行编辑：融媒体微网平台 杨羽帆
总 编 辑: 李晓萌
