来源：观察者网，作者：陈思佳
“比超级计算机快亿亿亿倍。”
近日，我国量子计算研究获重要进展，中国科学技术大学潘建伟团队在论文中介绍，经过一系列改进，光量子计算机“九章二号”处理特定问题的速度比超级计算机要快上亿亿亿倍，超导量子计算机“祖冲之二号”在量子随机线路采样问题上的计算速度，也比目前最快的超级计算机快一千万倍。
这意味着，我国成为了世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。
11月5日，记者走访了中国科学技术大学上海研究院，实地探访了“祖冲之二号”超导量子计算机，还与多名深度参与“祖冲之二号”的科研人员聊起更多研发故事。
来自合作研发单位国盾量子的专家表示，相关计算机采用了新概念、新技术、新工艺，而取得了这一耀眼成果的团队也极为年轻。量子计算机论文作者中就不乏96年、97年出生的年轻研究员，最年轻的一位出生于99年，“团队大部分年龄是95后”。
国外同行对于这一系列成果也给予高度评价。加拿大卡尔加里大学量子科学与技术研究所主任巴里·桑德斯就表示，潘建伟团队取得的成果令人印象深刻，“两台实验性量子计算机解决迄今最复杂的问题，这意味着关于量子计算机能否实现量子优越性的争论已经结束。”
不过，专家也特意向我们提及，现在的量子计算机还只能用于解决特定问题，距离通用量子计算机还有很长距离，未来，中等规模量子计算机有望在特定领域得到应用。
此外，在大规模通用容错量子计算机最终实现之后，它将可以在化学反应计算、材料设计、药物合成、密码破译、大数据分析和机器学习、军事气象等领域产生颠覆性影响。
看起来平平无奇的“桶”
在中国科学技术大学上海研究院的实验室里，记者在现场看到了“祖冲之二号”超导量子计算机。在这个依靠巨大的支架“悬”在半空中、外观看起来平平无奇的“桶”里，就有着我国的超导量子计算机“祖冲之二号”。
据专家介绍，“桶”是提供接近绝对零度的极低温环境的制冷设备，整体的构造是为了尽可能减少“祖冲之二号”运行中的各种干扰。
“祖冲之二号”超导量子计算机设备
就在最近，我国的量子计算机研发工作又取得重大进展。10月26日，国际知名学术期刊《物理评论快报》发表了中国科学技术大学潘建伟团队的两篇论文，介绍了本文开头提及的两项研究进展。
一直以来，多国科学家都在探索基于多种不同物理体系的量子计算研究，比如光学体系、超导量子比特体系、离子阱体系、超冷原子体系……其中，光学体系被业内认为具备适合量子模拟等优势。
而在这一领域，潘建伟团队一直处于国际领先水平。
年，潘建伟团队构建了首台超越早期经典计算机的光量子计算原型机。年，潘建伟团队成功构建了76光子、模式的高斯玻色采样量子计算原型机“九章”，使我国成为第二个实现量子计算优越性的国家。
但“九章”相对而言还存在一些弱项，《科技日报》曾介绍，“九章”总系统效率偏低，其中主要损耗之一来自光源。在当前的技术条件下，制备可编程、低损耗、足够大规模的光学干涉仪也存在巨大挑战，因此优先考虑低损耗、大规模的“九章”的光学仪器不可编程，应用场景受到限制。
与一年前的“九章”相比，潘建伟、陆朝阳等人组成的研究团队此次构建的“九章二号”，进行了一系列概念和技术创新。
“九章二号”实验照片图自中国科学技术大学
据专家介绍，研究人员在激光“受激辐射光放大”概念的启发下，设计并实现了受激双模量子压缩光源，显著提高了量子光源的产率、品质和收集效率。其次，通过三维集成和收集光路的紧凑设计，“九章二号”的多光子量子干涉线路增加到了维度。
经过这一系列改进，“九章二号”探测到的光子数增加到了个，输出态空间维度达到了10的43次方。通过动态调节压缩光的相位，研究人员还进一步实现了对高斯玻色取样矩阵的重新配置，演示了“九章二号”可用于求解不同参数数学问题的编程能力。
这使得“九章二号”在特定问题上的计算能力达到了超级计算机的亿亿亿倍。根据现有理论，“九章二号”处理高斯玻色采样的速度比目前最快的超级计算机还要再快10的24次方倍。
在超导量子计算领域，我国科研人员也实现了后来居上。据专家介绍，超导路线具有比较容易添加门运算实现、比较容易实现远程编程操作等优势，这同样是有希望实现最终的实用化的重要量子计算路线。
《科技日报》此前介绍，作为可拓展量子计算的候选途径之一，超导量子计算的核心目标是如何同步地增加集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能，从而能够高精度相干操作更多量子比特。
今年5月，潘建伟、朱晓波、彭承志等组成的研究团队成功研制62量子比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并在此基础上实现可编程的二维量子行走。
此次研究团队在“祖冲之号”的基础上，又采用全新的倒装焊3D封装工艺，解决了大规模比特集成的问题，成功研制“祖冲之二号”，实现了66个数据比特、个耦合比特、11路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了10的19次方。
“祖冲之二号”还采用了可调耦合架构，实现了比特间耦合强度的快速、精确可调，显著提高了并行量子门操作的保真度。
“祖冲之二号”芯片示意图图自中国科学技术大学
经过这这一系列改进，“祖冲之2.0”通过操控其上的56个量子比特，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性。这使得我国首次在超导量子计算领域达到量子计算优越性的里程碑，我国也成为目前世界上唯一在两种物理体系达到量子计算优越性的国家。
不仅如此，研究团队在随后的“祖冲之2.1”中还取得了新的进步，通过操控其上的60个量子比特，完成的任务又比“祖冲之2.0”高出3个数量级，任务难度比年谷歌“悬铃木”高出百万倍。
这意味着根据目前已公开的最优经典算法，“祖冲之二号”在量子随机线路采样问题上的处理速度，比当前最快的超级计算机快一千万倍。
量子计算：在一些特定领域上
相对经典计算有优势
早在上世纪80年代，就有科学家提出了将量子效应引入信息处理的构想，量子计算的概念开始出现在世人眼中。经过近四十年的技术和理论发展后，量子计算正逐渐从模糊的构想化为现实。
量子效应与日常世界存在很大差异。在经典计算中，信息由“比特”表示，具有“0”和“1”两种状态，现代计算机则通过“门”来操作比特、执行计算。但量子计算机中用到的“量子比特”则与其完全不同。
相比于只能取“0”或“1”的比特，量子比特不仅可表示“0”或“1”，同时还能表示两个值任意权重的叠加。这意味着1个量子比特对应一个2维空间，N个量子比特对应的则是2的N次方维空间，这赋予了量子计算机巨大的计算空间。
“量子门”的操作也不同于经典计算机的“门”，可同时操作所有基本状态。这些特点使得量子计算机具备了极强的并行计算能力，这种强大的运算能力也让量子计算机有可能完成部分经典计算机无法解决的任务。
国盾量子高级工程师杨威风博士就向记者表示，量子计算机的计算能力是一个指数级的加速，将来它的计算能力相对于经典计算机有质的提升。
国盾量子专家杨威风博士
另一位业内专家也告诉记者，由于量子计算机计算能力随着规模指数增长，在量子计算与经典计算的这场竞赛中，量子计算可以轻松保持优势。量子计算利用量子力学的基本特性进行计算，是一种完全不同于经典计算的计算模式。
“祖冲之二号”、谷歌“悬铃木”和超级计算机“富岳”完成随机线路采样问题时间对比图自中科院量子计算云平台
不过专家同时指出，经典计算机的算力以及算法在不断发展，量子优越性演示不是一蹴而就的事，而是一个过程。“量子计算解决一个具体问题还需要有相应的量子算法，目前只在一些特定领域的问题上有高效的量子算法。因此量子计算只在一些特定领域的问题上相对经典计算有优势，并不能替代经典计算机。”
他表示，量子计算机的优势在于可通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面，获得比经典计算机更强的算力。大规模通用容错量子计算机可以在化学反应计算、材料设计、药物合成、密码破译、大数据分析和机器学习、军事气象等领域产生颠覆性影响。
“研制容错的通用量子计算，因其苛刻的容错阈值和大尺度的量子比特数目，离目前人类的科技发展水平尚有不小的差距。在容错的通用量子计算研制出之前，带噪声的中等规模量子计算机也有望在特定领域找到有实用价值的应用，预期应用包括量子机器学习、量子化学、量子近似优化等。”
对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：
一是发展具备50到个量子比特的高精度专用量子计算机，实现计算科学中的“量子计算优越性”里程碑；二是研制可相干操作数百个量子比特的量子模拟机，用于解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题；三是研制可编程的通用量子计算原型机。
如今，我国刚刚实现了在光量子计算和超导量子计算两个物理体系中达成第一个里程碑。
在其他技术路线方面，中国同样也没有放慢研究的步伐。杨威风表示，我国的光量子和超导量子计算现在都处于世界领先水平，而诸如离子阱、硅自旋等技术路线的研究同样在进行中。
业内专家也向记者透露，在超冷原子体系上，我国目前整体与欧美发达国家处于并跑状态，在规模化原子纠缠的制备与操纵，对自旋轨道耦合、超冷分子反应等的量子模拟方面取得了系列重要成果，为解决若干经典计算机难以胜任的复杂问题奠定了基础。
“没想到他们竟然会在一周里
同时公布两个量子计算结果”
其实早在今年6月，“祖冲之二号”和“九章二号”的论文就已在预印本平台arXiv提前公开，这一系列成果也很快引起国际学术界、媒体和公众的广泛
