计算|什么是量子计算机？“九章”确立的“量子计算优越性”有多厉害确立|袁岚峰|量子|量子计算机

光量子干涉实物图中国科学技术大学供图
“九章”量子计算原型机实物图资料图片
“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
12月4日，包括本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，本报采访人员采访了相关专家，尝试揭开“九章”神秘的面纱，了解量子计算机的原理。
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，他告诉采访人员，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。
袁岚峰告诉采访人员，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”到底长什么样
在中国科学技术大学光量子实验室，采访人员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。
袁岚峰告诉采访人员，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。
“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。”