比超级计算机快亿亿倍！九章与祖冲之二号：已实现事实量子霸权？

10月26日，澎湃新闻联合国内多家新闻平台发布一则重磅消息：

超导量子计算研究团队构建了66位可编程超导量子计算原型“祖冲之二号”，快速“量子随机电路采样”任务的解算速度比目前最快的超级计算机快1000万倍，计算复杂度比谷歌的超导量子计算原型“法国梧桐”高出100万倍。超导系统首次达到了“量子计算优势”的里程碑。

同时，光量子计算研究团队构建了具有113个光子、144种模式的量子计算原型机“九丈二号”。计算能力。

“九丈二号”144模干涉仪（部分）实验照片

同时在超导和光子量子计算机方面取得了重要进展。我国是唯一一个在两个物理体系中取得“量子计算优势”的国家！10月25日，国际权威学术期刊《物理评论快报》发表研究成果。加拿大卡尔加里大学量子物理学家、教授巴里·桑德斯认为，这是一部“激动人心的实验杰作”。估计大家看不懂，下面我就试着梳理一下，这几个字是什么意思？

什么是量子计算机，它和传统计算机有什么区别？

无论是台式机还是笔记本，还是平板电脑还是手机还是可穿戴电子设备，其核心都是电脑，只是应用领域不同而已。我们可以在手机或者电脑上拍照拍电影，处理日常的文字工作，而可穿戴设备可以监测你的呼吸、心跳、步数、里程等，但这些设备的核心CPU处理的是两个数字，0和1，因为这些数据最终可以通过算法和1分解成0。

所以计算机的核心部件CPU就是由处理0和1的AND或NOT电路组成的，它们一个接一个串联，最后输出一个结果，但是你会发现每一步计算都会丢失一半的信号。最后输出结果的时候，不知道丢了多少信号。

这会导致两个结果。一是计算必须排队，或者扩展多个组来区分任务和“并行”计算。理论上，一条线一次只能进行一次计算。还有一个结果就是丢掉的那一层是有能量的，不会凭空消失，它会发热，所以不管你的CPU设计的有多好，发热的问题在所难免，这个不是技术决定的，而是以计算的方式决定。

量子计算机的原理是什么？

量子计算机使用量子比特。与传统比特只能表示0或1相比，量子比特可以用一个比特来表示0或1，还可以同时表示0和1的叠加。如果只有两个量子比特，传统计算机只能处理00/01/10/11这四个二进制数中的一个，但量子比特可以并行处理所有四个数字，计算速度是传统计算机的四倍。

因此，传统计算机的速度与传统比特的速度成正比增长，但量子计算机随着量子比特的增加呈指数级增长。因此，理论上只需要几十个量子比特就可以达到传统计算机的速度。无与伦比的速度，所以在很多科幻小说中，都把量子计算机作为突破人类算力天花板的突破方向，曲率引擎、时空弯曲等都放在了量子计算机上。

量子计算机那么好，为什么不推广一下呢？

量子计算机好到科学家们费尽心思去研发，但是有一个现实很无奈，那就是量子计算机的计算结果是处于叠加状态。到底是0还是1，这就成了一个超级难题，长期以来一直困扰着科学家们。

量子计算机算法

然而，这个难题在1994年被攻破。数学家PeterShor设计了一种基于量子比特的质因数分解算法。你是什么意思？就是利用量子比特的计算特性，可以用来求解质因数分解。这是写一个正整数作为几个除数的乘积。例如，两个整数的乘积很容易计算，但给定一个大整数，则计算它们的近似值就很困难。

科学家们已经找到了很多算法来尝试解决这个问题，因为它与代数和密码学有很大关系。大数大约需要60万年。

用量子计算机完成计算可能只需要几个小时，甚至几十分钟。如果时间太长，那就再加一点。因此，量子计算机在素因数分解方面具有相当大的优势。

但是新的问题又出现了。这个算法只能用来分解质因数，别的不行！也就是说，如果你买了一台配备了彼得·肖尔素因数分解的量子计算机，你只能玩素因数分解。比如你输入一个100位的大数，可能几秒钟就给你算出来了，但是你得让它帮你解决一个图片问题，或者剪辑几个视频，不好意思，不在范围之内并且不能使用。

所以不管量子计算机的什么算法，比如Grover/Long算法（数据库搜索）和量子退火算法，它们都执行相当单一的功能，而且只能“专用于专用机器””。这有用吗？事实上，它不是。毕竟在特定的场合还是可以解决特定的问题，这很好！

量子比特退相干

不过还有一个问题更烦人！这是量子比特的退相干问题。由于外界振动、温度波动、电磁波等与外界环境相互作用而引起的相干性丧失称为退相干，或直接称为“波函数坍缩效应”。我们应该做什么？其实很容易解决，直接用纠错码，再多做几个量子位计算就可以了？比如GOOGLE过去实现了量子霸权，72量子比特的量子计算机在物理层面实际上只有72量子比特。它不能同时进行逻辑运算，而是以9个为一组进行逻辑运算。它是一台8位量子计算机，准确率只有80%。

72位量子芯片的结构图，Bristlecone只有72knots的性能，算法也可以，方法也可以，但是没有大的突破就是这个原因。

实现量子计算有几种方法？谁更有前途？超导还是光量子？

量子计算机的种类很多，但目前的一些突破方向是比较有前途的，比如超导量子比特和离子阱或冷原子，很有潜力做成通用量子计算机。

光量子计算机光子与环境的相互作用非常弱，所以相干性很好，时间也比较持久，所以光量子比特数的增加有优势，但难点在于在无法快速操纵光量子位，仅靠玻色采样无法精确控制，因此在通用量子计算机的道路上存在诸多困难。

超导量子是目前量子计算机最有希望的突破方向。相干时间比较长，控制方法可以用微波，比较简单。并且制造方面与现有的半导体技术比较接近，量子比特之间的关联也比较容易。

但是超导量子有一个无法逾越的难题，就是每个量子比特都是人工的，所以要做到完全一致的高性能其实是非常困难的，所以这条路也很艰难。目前谷歌、IBM和英特尔都在这方面努力。

通用量子计算机的另一个突破方向是离子阱。在这种模式下，相干时间比超导更长，每个量子比特自然是统一的。用激光耦合比超导更难控制，但量子位之间的互连更容易，但它最大的问题是很难扩展量子位的数量。

所以这条路上没有人是一帆风顺的！中科院量子信息与量子技术创新研究所研究团队发布的“九丈二号”采用了113个光子、144个模态的量子计算样机，从之前的76个光子增加到113个光子.这比超级计算机快数十亿亿倍。

“九丈二号”突破光量子计算机方向。虽然很难一概而论，但是解决具体问题并没有错，所以我们还在这条线上努力。

另一款是66位可编程超导量子计算机样机“祖冲之二号”。“量子随机电路采样”任务的快速求解速度已经比谷歌的超导量子计算原型“法国梧桐”高出一百万倍，比目前的超级计算机高出一千万倍。

中科院院士潘建伟：下一步，我们希望通过4到5年的努力，实现量子纠错。在利用量子纠错的基础上，我们可以探索利用一些特殊的量子计算机或量子模拟器来解决一些具有重大应用价值的科学问题。

随着量子计算机的量子位增加N，其速度将增加2^N，所以初始量子计算机的速度呈指数增长，速度相差几百万倍甚至上亿倍倍，可能只是几个量子位和各国正在突破的量子计算机之间的技术差异并没有想象的那么大，但毫无疑问，这是一个巨大的进步，这意味着可同时操纵的量子比特又增加了，这是一个坚实的进步。