中國量子計算機再次突破，九章二號和祖沖之二號是什麼意思？| 科技袁人_風聞

　　導讀

　　中國是世界上唯一一個在兩條技術路線上實現量子優越性的國家，美國只有超導這一個，而其他國家一個都沒有。在這個意義上，中國的量子計算研究世界領先。

　　2021年10月26日，全國的媒體都在傳一個重大新聞：中國的量子計算機研究再次取得突破，比超級計算機快了億億億倍（“比超級計算機快億億億倍！”）！具體而言，是中國科學技術大學潘建偉院士團隊的兩台量子計算機升級了，“九章”和“祖沖之號”都變成了二號。結論是，我國成了目前世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。

　　九章二號1

　　九章二號2

　　祖沖之二號

　　咦，這些話是什麼意思？什麼叫量子計算？什麼叫量子計算優越性？什麼叫在兩種物理體系實現量子計算優越性？實現了這個有什麼好處？這話是説中國超越了美國嗎？……

　　對於最後一個問題，可以簡短地回答：是的，中國超越了美國。但對其他的技術性問題，就很難三言兩語説清楚了。實際上，我最近剛剛出版了一本科普書《量子信息簡話》，裏面對所有這些問題都有清楚的解釋。歡迎大家去訂購這本書，看完你就成為量子信息專家了。

　　《量子信息簡話》

　　我最近特別忙，沒來得及第一時間解讀這個新聞。然而我知道，每當有量子信息的新聞出來，就會有媒體來採訪。果不其然，過了一會環球時報英文版《Global Times》的記者就打過電話來了，我要為他們的專業精神點贊（袁嵐峯就“中國研究人員在兩條主流路線上取得量子優勢”接受環球時報英文版採訪 | Global Times）。

　　今天，我就來抽出時間，稍微解釋一下基本圖景。

　　首先，什麼叫量子計算？回答是一種新的計算原理，它對某些問題得到結果比傳統的計算機快得多。一個典型例子是因數分解，即

　　21 = 3 × 7，

　　15 = 3 × 5

　　這種分解，把一個自然數分解成質因數的乘積。

　　因數分解是一個傳統難題。這話是什麼意思呢？當一個數很小的時候，你分解它當然很容易，你不管三七二十一就能分解21。但當一個數很大的時候，比如有幾百上千位，分解它就變得很困難。因為我們並沒有特別巧妙的算法，用傳統計算機分解它需要的時間是隨着位數指數上升的。比如説，分解一個300位的數字需要15萬年，而分解一個5000位的數字需要50億年！

　　然而對於量子計算機來説，因數分解就是個可以快速解決的問題。1994年，有人提出了量子的因數分解算法，它的計算量隨着位數的增長要慢得多。同樣是分解300位的數字，量子算法會把時間從15萬年減到不足一秒鐘。分解5000位的數字，量子算法會把時間從50億年減到2分鐘！

　　現在，大家明白量子計算的威力了吧？

　　然而，有兩點需要強調。

　　一是量子計算機只是對某些問題超過經典計算機，而不是對所有問題。有些問題經典計算機已經算得很快了，如加減乘除，量子計算機對它們就沒有任何優勢。所以量子計算機的前景是和經典計算機聯用，而不是取代經典計算機。它永遠都不會完全取代經典計算機，兩者會各自在自己適合的場景使用。

　　一般人以為的量子計算機

　　實際的量子計算機

　　量子計算機與經典計算機聯用

　　二是能夠分解大數的量子計算機硬件還沒有造出來。我們目前能夠用量子算法分解的最大的數是

　　291311 = 523 × 557，

　　這是科大的杜江峯院士和彭新華教授等人在2017年實現的。291311只是個六位數，離幾百上千位還遠。

　　杜江峯和彭新華等人2017年用量子算法分解291311的論文

　　實際上，我們目前還沒有造出任何一台有實用價值的量子計算機。所以量子計算機的研究狀況是，軟件先行，硬件是瓶頸。現在各國競爭的主要是硬件。

　　下一個問題，量子計算優越性是什麼意思？它指的是對某個問題，量子計算機超過了最強的經典計算機。

　　當前最強的經典計算機是什麼？是日本的超級計算機“富嶽”（Fugaku），它每秒能運行44.2億億次浮點運算（超級計算機不是用來打遊戲的，而是用來給居民供暖的 | 袁嵐峯）。打個比方，富嶽一秒鐘的計算量，頂得上全世界所有人不眠不休以每秒一次的速度算上兩年。由此可見，現在的經典計算機是很強大的，量子計算機要超越經典計算機是很不容易的。

　　2021年6月的超級計算機TOP500榜單

　　因此量子計算機一定要挑選一些自己有快速算法而經典計算機只有慢速算法的問題，才能超越經典計算機。這就是為什麼量子計算優越性的定義裏，要強調是“對某個問題”。

　　具體而言，此前實現了量子優越性的實驗只有兩個。

　　2019年，谷歌用超導體系實現了量子優越性，他們的實驗裝置叫做“懸鈴木”（Sycamore），處理的問題叫做“隨機線路取樣”（random circuit sampling）。

　　谷歌論文圖1對量子計算機結構的演示

　　2020年，科大的潘建偉和陸朝陽等人用光學體系實現了量子優越性，他們的實驗裝置叫做“九章”，處理的問題叫做“高斯玻色子線路取樣”（Gaussian boson sampling）。

　　九章光量子干涉實物圖

　　2020年12月5日，作者和苑震生教授在九章中介紹九章

　　這兩個問題是什麼意思，大家可以去看我的書《量子信息簡話》。在這裏我們要提醒大家注意的是：每一個量子計算機的實驗都需要某種物理體系，超導、光學、離子阱、核磁共振等等。就像經典計算機能用很多種物理體系實現，最初是算盤，後來有機械式計算機，後來有電子管，後來有晶體管，現在是集成電路，量子計算機也能用很多種物理體系實現。現在超導和光學是研究得比較熱門的兩條技術路線，其他的也都有人在研究。

　　所以大家見到一個量子計算機的新聞，就可以問兩個專業問題：第一，它處理的是什麼數學問題？第二，它用的是什麼物理體系？專家一聽你問這兩個問題，就知道你很內行。而如果你問一些不着調的問題，如“量子計算機打遊戲會不會卡”，專家一聽就知道你完全不懂了！

　　2020年5月，科大的潘建偉和朱曉波等人發表了一個重要的成果，叫做“祖沖之號”。它跟谷歌的“懸鈴木”一樣，都屬於超導量子計算機。當時CCTV的《共同關注》節目（袁嵐峯在央視新聞解讀超導量子隨機行走計算機“祖沖之號” | 科技袁人）和環球時報英文版（中國團隊研製出國際上超導量子比特數最多的62比特量子處理器 | Global Times）採訪了我，我告訴了他們這事的意義。祖沖之號在一些指標上超過了懸鈴木，例如它的量子比特數是62，多於懸鈴木的53。但祖沖之號並沒有實現量子優越性，因為它的操控性還不夠好。它實際做的，只是展示了量子的二維行走，原理上用這種方法可以實現任何的計算任務。

　　中國科大成功研製62比特可編程超導量子計算處理器祖沖之號（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74972.htm）

　　祖沖之號的二維超導量子比特芯片示意圖，每個橘色十字代表一個量子比特

　　有了這些背景，就可以理解最近的突破了：潘建偉、陸朝陽、朱曉波等人把九章和祖沖之號都升級成了二號。九章二號進一步擴大了對經典計算機的優勢，而祖沖之二號實現了量子優越性。因此，我們可以宣稱中國是世界上唯一一個在兩條技術路線上實現量子優越性的國家，美國只有超導這一個，而其他國家一個都沒有。在這個意義上，中國的量子計算研究世界領先。

　　具體而言，九章二號把光子數從原來的最多76升級到了最多113，由此導致對經典計算機的優勢從一百萬億倍增加到了一億億億倍。有人問我，為什麼不是升級到152，即76翻一番？回答是量子計算機的能力隨着光子數的增長不是線性增長，而是指數增長甚至超指數增長，所以每增加一個光子都是很不容易的。

　　論文數據圖 a圖表示輸出態空間的維度 b圖表示光量子計算原型機相比超算的優勢倍數

　　有一個有趣的故事，來自一位量子計算的鐵桿反對者，叫做吉爾·凱萊（Gil Kalai），是一位以色列數學家。他曾經認為玻色子取樣，即九章做的這個問題，永遠不可能實現量子優越性。他的表述是：

　　“設想有一支外星人的軍隊，比我們強大得多，降落到地球上，要求我們展示5個光子的玻色子取樣，否則就摧毀地球。在這種情況下，我們應該調集我們所有的量子工程力量，嘗試實現它。但假如外星人要求的是比如説10個光子的玻色子取樣，那麼我們最好的選擇就是嘗試攻擊外星人。”

　　你看，他認為10個光子的玻色子取樣都是不可能的！而我們實際做到的是76，現在又成了113！有了這位老兄的flag，你就明白這是多麼重大的成就了吧？

　　吉爾·凱萊

　　祖沖之二號的進步，是採用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規模比特集成的問題，實現了66個數據比特、110個耦合比特、11路讀取的高密度集成，最大態空間維度達到了10的19次方。所謂態空間維度，就是這個體系裏可以允許的基本狀態的數目。懸鈴木的態空間維度只達到10的13次方，而祖沖之二號達到10的19次方，比它高6個數量級。所以同樣是執行隨機線路取樣這個問題，祖沖之二號的難度比懸鈴木要高得多。

　　在這個前提下，祖沖之二號相對於經典計算機的優勢是一千萬倍，而懸鈴木只有一百萬倍。也就是説，祖沖之二號對一個更難的問題實現了更高倍數的優勢，所以比懸鈴木強得多。

　　量子隨機線路取樣保真度隨線路深度的變化及目前最快的超級計算機“富嶽”完成相同任務需要的時間

　　最後展望一下未來，這些成果有什麼用？回答是現在還沒有用，但是以它們為基礎，下一階段就會有用。我們希望在比如説五年之內，在特定領域找到有實用價值的應用，例如量子機器學習、量子化學、量子近似優化等。

　　量子計算機的一個個目標

　　中國在光學和超導兩條技術路線都實現了量子計算優越性，超越了美國，但這遠遠不是結束，而是開始。量子信息的奇妙世界，等着大家去探索。最後再次向大家推薦我的科普書《量子信息簡話》，大家在科大出版社官方微店（https://weidian.com/item.html?itemID=4433614793）或者京東（https://item.jd.com/10038970970840.html）、天貓（https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a1z10.3-b-s.w4011-22776463319.30.6f067cc8EoePU4&id=657676176196&rn=41a5f751d476665d282f725d0bcb04b7&abbucket=17&skuId=4925013071459）就可以訂購，謝謝支持。

　　《量子信息簡話》

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