最快！我国量子计算机实现算力全球领先

新华社合肥12月4日电（记者徐海涛、周畅）200秒只是短短一瞬，6亿年早已是沧海桑田。12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

　　“量子优越性像个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明其未来有多方超越的可能。”中科大教授陆朝阳说，多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。

　　去年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，实现了“量子优越性”。

　　近期，潘建伟团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。

　　实验显示，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，而目前世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。等效来看，“九章”的计算速度比“悬铃木”快100亿倍，并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。

　　据悉，潘建伟团队这次突破历经20年，主要攻克高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题。

　　“比如说，我们每次喝下一口水很容易，但每次喝下一个水分子很困难。”潘建伟说，光子源要保证每次只放出1个光子，且每个光子一模一样，这是巨大挑战。同时，锁相精度要在10的负9次方以内，相当于100公里距离的传输误差不能超过一根头发直径。

　　与通用计算机相比，“九章”还只是“单项冠军”。但其超强算力，在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。

　　12月4日，国际学术期刊《科学》发表了该成果，审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。

“九章”到底有多神

　12月4日，包括光明日报在内的许多媒体报道了一个量子计算的大成果：中国科学技术大学的潘建伟、陆朝阳等人构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。也就是说，超级计算机需要一亿年完成的任务，“九章”只需一分钟。同时，“九章”也等效地比谷歌去年发布的53个超导比特量子计算机原型机“悬铃木”快一百亿倍。

　　然而，很多读者在惊叹这一重大科研成果的同时，却对其中的原理、成果的意义、量子计算机的应用前景不明就里，甚至有读者反映，“每个汉字都认识，但还是不懂”。为此，光明日报记者采访了相关专家，尝试揭开“九章”神秘的面纱，了解量子计算机的原理。

光量子干涉实物图 中国科学技术大学供图

　　什么是量子计算机

　　“量子计算机是用量子力学原理制造的计算机，目前还处于很初步的阶段。相应的，现有的我们在用的计算机被称为经典计算机。”中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室副研究员袁岚峰一直致力于科普写作，他告诉记者，两者的计算形式不一样，“电脑通过电路的开和关进行计算，而量子计算机则是以量子的状态作为计算形式。”

　　我们日常使用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息在硬件电路里都会转换成1和0，每个比特要么代表0，要么代表1，这些比特就是信息，然后再进行传输、运算与存储。正是因为这种0和1的“计算”过程，电脑才被称为“计算机”。

　　而量子计算，则是利用量子天然具备的叠加性，施展并行计算的能力。“量子力学允许一个物体同时处于多种状态，0和1同时存在，就意味着很多个任务可以同时完成，因此具有超越计算机的运算能力。”中科大教授陆朝阳说，每个量子比特，不仅可以表示0或1，还可以表示成0和1分别乘以一个系数再叠加，随着系数的不同，这个叠加的形式可能性会很多很多。

　　“目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统，不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子，这次的‘九章’使用的是光子。”袁岚峰说。

　　袁岚峰告诉记者，量子计算机并不是对所有的问题都超过经典计算机，而是只对某些特定的问题超过经典计算机，因其对这些特定的问题设计出高效的量子算法。“对于没有量子算法的问题，例如最简单的加减乘除，量子计算机就没有任何优势。”

“九章”量子计算原型机实物图 资料图片

　　“九章”到底长什么样

　　在中国科学技术大学光量子实验室，记者见到了确立中国量子计算优越性的“九章”。

　　从外观上看，与其说它是计算机，倒不如说是一台敞开式的运算系统：实验桌上3平方米左右的格子里摆满了上千个部件，“这些都是量子计算机原型机的光路”，潘建伟研究组的苑震生教授说，“正是通过我国自主创新的量子光源、量子干涉、单光子探测器等，我们构建了76个光子的量子计算原型。”

　　另一张桌子上，摆放着“九章”的接收器。“如果你站在两张桌子之间，就意味着你置身于‘九章’之中”。

　　原来，神秘的“九章”就是一堆光路和接收装置。

　　袁岚峰告诉记者，光学是实现量子计算的一种手段，跟超导、离子阱、核磁共振等很多其他手段并列。“中国科技大学把光学这种手段带到了世界的中心，大大扩展了学术界对这种手段上限的估计，这是这项成果在技术上的重要意义。”

　　“九章”确立的“量子计算优越性”有多厉害

　　“九章”的成果，就是实现了量子计算优越性。“量子计算机在某个问题上超越现有的最强的经典计算机，被称为‘量子优越性’或者叫‘量子霸权’。”

　　袁岚峰随后解释说，“实际上，‘量子霸权’是一个科学术语，跟国际政治无关。它指的是量子计算机在某个问题上远远超过现有的计算机。”

　　基于量子的叠加性，许多量子科学家认为，量子计算机在特定任务上的计算能力将会远超任何一台经典计算机。2012年，美国物理学家John Preskill将其描述为“量子计算优越性”或称“量子霸权”。2019年，谷歌第一个宣布实现了量子优越性。他们用的量子计算机叫作“悬铃木”，处理的问题大致可以理解为：判断一个量子随机数发生器是不是真的随机。

“九章”量子计算原型机光路系统原理图 中国科学技术大学供图

　　“谷歌造出的‘悬铃木’包含53个量子比特的芯片，花了200秒对一个量子线路取样一百万次，而现有的最强的超级计算机完成同样的任务需要一万年。200秒对一万年，如果这是双方的最佳表现，那么确实是压倒性的优势。”袁岚峰说，“九章”跟“悬铃木”的区别，一是处理的问题不同，二是用来造量子计算机的物理体系不同。“九章”用的是光学，“悬铃木”用的是超导。“这两个没有孰优孰劣，只是不同的技术路线。”

　　“‘九章’在同样的赛道上，比‘悬铃木’快一百亿倍，这就是等效速度，也意味着我国在量子计算上实现了‘量子霸权’”。袁岚峰进一步解释说，“九章”的成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的“第一方阵”地位。这是因为有“悬铃木”在前，“九章”毕竟是第二个，所以只是说中国跟美国相差不远。“而在量子通信方面，我们就不说什么‘第一方阵’了。因为那里没有方阵，中国明确是世界最先进的。”

　　何谓高斯玻色取样

　　所有的报道中都提到，“‘九章’处理‘高斯玻色取样’的速度比目前最快的超级计算机‘富岳’快一百万亿倍”。那么，什么是高斯玻色取样？

　　“玻色取样是用来展示量子计算优越性的特定任务中的一项，一直被科学家寄予厚望。”袁岚峰说，“大致可以理解为，一个光路有很多个出口，问每一个出口有多少光出去。”

　　由于量子力学赋予了光子很多匪夷所思的性质，使得光子的不同路径之间，不但可以相互叠加，也可以相互抵消，具体结果视情况而定，非常复杂。“在面对这样的难题时，玻色取样装置就有了用武之地。由于它像计算机一样，能够在较高的精度上解决特定的数学问题，同时又应用了光子的量子力学特性，所以可以称作是一种‘光量子计算机’。”袁岚峰说。

　　此次，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功研制出的“九章”，和之前的玻色取样机的主要区别，在于输入的光子状态，也就是对从前的“玻色取样”装置进行升级。“玻色取样机输入的是一个个独立的光子，而‘九章’输入的是一团团相互关联的量子光波。”袁岚峰说，因此，“九章”比经典计算机快很多倍，真正体现出了“量子计算优势”。

　　量子计算机要不要装系统

　　“量子计算机本身就是一套‘系统’。”中国科学技术大学林梅教授说，独立的光学组件提供了硬件，复杂的光路结构则决定了它的“算法”。“例如，以光子作为量子比特的量子计算机，需要能够产生光子的单光子源，能够改变光子状态、完成‘算法’的特定光路结构，还需要单光子探测器对光子的最终状态进行观测。”

　　据了解，对于量子计算机的控制，仍然需要通过普通电脑进行信息的输入和输出。工作人员需要在普通电脑上输入初始数据，数据在量子计算机控制系统中进行复杂的转换和运算，最后得到的结果会再传输回工作人员的普通电脑上。

　　量子计算机距离实用还有多远

　　量子计算机能不能处理有实用价值的问题？答案是：能。

　　“例如因数分解，量子计算机就是有快速算法的。因数分解的困难性是现在最常用的密码体系RSA的基础，所以量子计算机能快速进行因数分解，就意味着能快速破解密码。”袁岚峰说，“问题只是在于，现有的量子计算机只能分解很小的数，还不足以破解实用的密码。所以在实现量子优越性之后，下一个重要的目标就是针对一个有实用价值的问题，造出超越经典计算机的量子计算机。”

　　“火车刚发明的时候，连马车的速度都赶不上；飞机刚发明的时候，只能在天上坚持飞1分钟；量子计算机刚发明的时候，计算过程也坚持不了几分钟。”袁岚峰说，量子计算发展到今天，我们研制出的“九章”不仅速度快、稳定性高，而且有着潜在应用价值。“不管量子计算机现在有多么初级，总有一天，它会像曾经的火车和飞机一样，一步一步向我们走来。也许将来，我们能够用光学实现真正强大的量子计算机，也就是可编程的、能处理很多有实用价值问题的量子计算机。”

　　科学界如何评价“九章”

　　“九章”问世后，赢得科学界一致肯定，《科学》杂志审稿人认为，此项成果是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。

　　德国马普所所长、沃尔夫奖和富兰克林奖章得主Ignacio Cirac称，“总体来说，这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研制比经典计算机具有量子优势的量子设备迈出了一大步。”奥地利科学院院长、沃尔夫奖得主、美国科学院院士Anton Zeilinger评价道，“这项工作成果很重要，因为潘建伟和他的同事证明，基于光子的量子计算机也可能实现‘量子计算优越性’。我预测很有可能有朝一日量子计算机会被广泛使用。甚至每个人都可以使用。”

　　美国麻省理工学院教授、美国青年科学家总统奖得主、斯隆奖得主Dirk Englund则称之为“一个划时代的成果”。他说，“这是开发中型量子计算机的里程碑。它表明，在复杂系统的前沿领域中，我们正处于非常特殊的时刻，复杂系统具有我们今天无法在计算机上预测的复杂性。因此，这是一项了不起的成就。”

　　加拿大卡尔加里大学教授、量子科学和技术研究所所长Barry Sanders说，“我认为这是一项杰出的工作，改变了当前的格局。我们一直努力证明量子信息处理可以战胜经典的信息处理。这个实验使经典计算机望尘莫及。我认为这是量子计算领域最重要的成果之一。这个实验不存在争论，毫无疑问，该实验取得的结果远远超出了传统机器的模拟能力。我想说的是，这个实验技术挑战非常巨大。为了获得此结果，他们必须解决许多非常困难的技术问题。仅仅在技术层面上，他们所取得的成就也令人印象深刻。这是人们梦寐以求的实验，他们做成了，让梦想走进现实。”

　　《光明日报》（ 2020年12月07日 08版）

神秘量子里的中国先机

量子，微观世界的神秘存在，它是不可分割的最小单位，可以“纠缠”，可以“叠加”，特性怪异而奇特。它有着与人们熟知的世界截然不同的物理规则，奥妙万千，充满未知。

　　从互联网、智能手机到卫星定位导航、核磁共振，几乎所有今天新诞生的技术都与之有关。

　　在未来，它还将帮助人类实现信息传送的绝对安全，把测量精度从目前的微米量级进一步精细千倍、万倍，而传统计算机需要数万年才能破解的复杂密码，对它来说，只需要短短几秒钟的时间。

　　习近平总书记曾指出，量子力学是人类探究微观世界的重大成果。量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，是一项对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

　　今天，中国已经成为全球“第二次量子革命”的重要推动者和引领者。一系列重大突破目不暇接， “弯道超车”的中国成为整个世界的焦点。

　　为了充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋，2020年10月，习近平亲自主持中共中央政治局集体学习，专题研究当前国内外量子科技的发展态势。针对中国量子科技如何抢占国际竞争制高点、构筑发展新优势，习近平提出了一系列非常具体的部署。其中包括，要找准切入点和突破口，加强顶层设计和前瞻布局，健全政策支持体系，保证资金投入，加快基础研究突破和关键核心技术攻关，培养造就高水平人才队伍……

　　谈“微观世界”，抓“关键变量”。从实地考察到专项学习，从顶层设计到政策支持，在习近平的高度关注和积极推动下，目前，我国大批量子科技领域实验项目正在加紧研究攻关。在由习近平指挥谋划的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中，更明确提出，未来五年，中国在包括量子信息在内的八大前沿领域，将实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

　　推动科技自立自强，坚持创新驱动发展。为全面塑造发展新优势，今日中国正以前所未有的勇气和魄力去实现更多科技创新“从0到1”的突破。一个更美好的未来，即将到来。

九章的问世，背后的意义非常巨大！

这几个月，中国的喜讯不断，先有“天问”问天，后来又有嫦娥月球取土，今天又惊爆重大消息，中国的量子计算机“九章”成功实现“量子霸权”。

▲央视报道 视频截图

其实早前，看到中国在量子通讯领域不断领先，一方面感到高兴，另一方面却也为中国的量子计算感觉到担忧，因为美国去年就已实现了量子霸权，谷歌去年发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”， 其200秒的计算，当时最快的计算机“顶峰”要计算2天。

现在好了， 中国也已经实现了76个量子比特的量子计算机“九章”，其运算速度是目前最快超算“富岳”的100万亿倍， 也比美国去年实现量子霸权的“悬铃木”量子计算机快100亿倍，“九章”200秒的计算量，目前世界最快的超级计算机要用6亿年。正因如此，权威杂志《科学》的审稿人说这是“一个最先进的实验”、“一个重大成就”。

如此看来，“九章”是当今世界速度最快的计算机，这不但让中国成为了第二个实现量子霸权的国家，也让中国在量子计算机领域站到了第一梯队。

如今的信息时代，未来的智能时代，都需要对大量信息进行处理，都需要运算大量数据，一旦数据运算能力太弱，就会落后于时代，量子计算机超强的计算能力将非常重要。

对于量子计算机的意义，大多数人的看法局限在密码破解一类的，在作者看来，一旦它与人工智能相结合，“AI+量子计算”将会给整个人类社会带来革命性的变化。

人工智能将解决机器的“智慧”问题， 而量子计算将彻底解决机器的“算力”问题，这二者之中的任何一个，都会给全世界带来重大变化甚至是革命性变化，一旦这二者进行了完美结合，其威力是可以想象的。

蒸汽机让人类进入机械时代、电子管让人类进入到电气时代、晶体管让人类进入到信息时代， “AI+量子计算”会让人类进入到智能时代，谁能掌握这些科技制高点，谁就能引领下一代工业革命，成为世界数一数二的强国。

正因为量子计算机如此重要，作者才一直大力鼓吹一定要重点发展好我们的量子计算机。

顺便再说说另一件事，那就是中国本次登月。

这次嫦娥去月球取土，大多数人可能只是随便看看，再就是大呼“太牛X了”、“太厉害了”，但却很少知道这背后到底有什么厉害的地方。

在作者看来，总体有3点重要意义：

一是为中国的载人登月奠定基础

其实你看本次取土的全过程，从流程来看，基本上已经实现了某种意义的“载人登月”，我们能将飞行器发射到月球上，并取土回来，接下来我们就能将人员送到月球上，然后再返回来，这次能把土带回来，下次就能把人也送上去再带回来。

▲嫦娥取完土离开月球 视频截图

二是对“氦-3”能源的研究

很多人应该奇怪一个问题，那就是美国都从月球上挖了几百公斤土回来了，为什么这次还在找中国要“土”？这其实是中国这次的挖土区域大不一样， 中国这次挖的月壤里，很可能存在“氦-3”，美国也想对它们进行研究分析。

氦-3是理想的核聚变清洁能源，但由于地磁场的存在，地球上存在的并不多，月亮上却存在大量氦-3，足够人类使用1万年。

谁能够攻克“可控核聚变”技术、谁能解决空间运输、在月球上建立基地这些技术难题，谁就能在未来不愁能源，那时候，拥有这些技术的国家将会有取之不尽、用之不竭的清洁能源，这将大大促进这个国家的发展。

就比如说粮食，一旦能源不是问题，就不必只依靠太阳光来生长作物，完全可以利用取之不尽的 “核聚变能源”来制造人造光源，进行室内培养，这会增加大量粮食。

在工业生产上一样，一旦能源变得异常便宜，整个社会的工业将极大发展。

三是有助于在月球上建立基地

比如可以建立军事基地，比如可以建立远程激光武器，一秒钟就能随意打击到地球上的目标。我们当然是对月球和平利用，但自身要有这个能力，才能防止别人用这种技术来侵害我们。这有点战争狂想曲的味道，就不多说。

可以建立能源基地，正如上述第二点，未必一定要把矿物运回地球，可以考虑就在月亮上建立基地生产能源，然后传输回地球。

还可以建立走向深空的基地。在地球上起飞飞行器，由于要克服强大的地心引力，需要大量燃料于是自身重量太大， 但月球的引力只有地球的1/6，携带相同的燃料，就能走向更深空，这有利于我们走向星辰大海。

所以，本次登月的意义其实是非常重大的。

今天又刚刚看到消息，中国好像已实现了“卫星互联网+5G+物联网”，这意味着中国的5G基站已建到了天上，未来即使是沙漠、远海深处这些死角地带都不再有通信盲区。

在美国加大遏制中国的今天，看着中国一天天进步，非常值得欣喜。

正所谓不遭人妒是庸才，美国如今疯狂的打压中国，甚至还像模像样的要搞“新冷战”，说明中国真是进步了。

1946年2月，身在莫斯科的美国外交官乔治·凯南给美国国防部发了一份长达8000词的电报，里面详尽的阐述了对付苏联的战战略，其中包括：

共产主义运动的态势良好，让美国去单挑共产主义运动是不现实的；

要用客观中立的态度、立场坚定的决心让美国人民了解到苏联真相，对苏联了解的越深入，不健康的反苏情绪就越少。

每一次对美国民众团结精神、精神面貌、自信心等方面的提升，都是对苏联的一次胜利；

美国有能力让苏联保持克制、谨慎，并最终让其走向衰落与崩溃。

很多人以为美苏冷战始于丘吉尔的“铁幕演说”，彭斯都还效仿了一把，其实美苏冷战始于乔治·凯南的这份电报，美国当局接受了他的建议并最终赢得了对苏联的胜利。由于他设计了对苏冷战的“顶层战略”，他本人也因此成为了“冷战之父”。

时至今天，我们无意主动寻求对抗，更没兴趣去搞什么“冷战”一类的东西。只不过乔治·凯南的有些好的精髓还是可以学一学。

比如我们也可以说： 让中国去单挑整个西方阵营是不现实的；我们需要对美国保持客观理性的中立态度，让中国人民对美国真相有深入的了解，了解的越深，那种盲目的敌视与无端的畏惧就会越少；我们在科技、经济、军事、精神面貌（如自信心）等方面的每一次进步，都是反美国遏制的一次胜利。

▲嫦娥-5在月亮上 视频截图

说白了，就是我们常说的那句话： 做好自己的事、走好自己的路！中国不论是5G、嫦娥挖土，还是量子霸权的实现，都是这条路上的一个个坚实脚印。