实验关键元器件被禁运又如何？中国“九章”计算机实现量子霸权，速度比谷歌快100亿倍！
物联网智库 整理发布
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导 读
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，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。这一突破使我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑——量子计算优越性。
今天，我国在量子计算领域实现了里程碑式的突破！
北京时间12月4日，国际顶尖杂志《Science》刊发了我国在量子计算领域的一项重磅研究成果——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，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。这一突破使我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑——量子计算优越性（Quantum Supremacy，国外也称之为“量子霸权”）。
20年砥砺，实现200秒突破
“量子霸权”一词是美国加州理工学院物理学家约翰·普瑞斯基尔提出的，它代表了大多数量子学家们的看法：当可以精确操纵的量子比特超过一定数目时，量子计算机在特定任务上的计算能力就能远超经典计算机。
去年9月，英国权威杂志《自然》刊出了谷歌量子AI团队的最新科研工作成果——该团队基于一个包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器，运行随机量子线路进行采样，耗时约200秒可进行100万次采样，并且估计如果使用当时最强超算Summit来计算得到同样的结果，需耗费约1万年。据此，谷歌宣称实现了“量子霸权”。
然而，谷歌的“称霸”却颇具争议，IBM指出谷歌对随机量子线路的经典模拟优化得并不好，如果采用内存和硬盘混合存储方案，模拟53比特、20深度的量子随机线路采样，仅需2.5天。对此，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 也曾提出，谷歌的该项成果是有争议的。
但是，对于“九章”而言，Barry Sanders却毫不吝啬赞美之词：“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，实验取得的结果远远超出了传统机器的模拟能力。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。”
具体而言，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。等效比较，“九章”比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机 “悬铃木”快一百亿倍，同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。
正如Barry Sanders所言，为了获得此项成果，潘建伟团队解决了许多非常困难的技术问题，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。潘建伟在接受采访时表示：“我们实验中要用到的一些关键器件，国外一直对我们进行禁运，但是我们靠自己、靠国内协作单位，做出了世界上最好的量子光源。毕竟，科学是为服务全人类的。”
量子计算本身是一门深奥、复杂的学科，其应用落地对产业而言也是突破性的提升。量子计算机超快的并行计算能力，在密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等场景中，相比经典计算机可实现指数级别的提速。
抢占量子技术先机，摆脱卡脖子
国际层面，美国近期公布了量子计算领域的最新计划，欧盟、英国、日本等国家也早已开始布局，足可见得量子技术的重要性。
实际上，我国在量子计算领域早有建树。在光量子信息处理方面，潘建伟团队早在2017 年就构建出了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机；2019 年，该团队还研制出了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了 20 光子输入 60 模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于 48 个量子比特的希尔伯特态空间，效果逼近 “量子计算优越性”。
光量子干涉示意图，来源：中国科学技术大学
国家层面，今年10月，中共中央政治局就“量子科技研究和应用前景”举行了第二十四次集体学习，习近平总书记在集体学习中强调，要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局，把握大趋势，下好先手棋。至此，量子科技正式上升为国家战略，成为我国抢占未来世界科技制高点的重要武器。
随后，在11月公布的《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，明确了人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等八个科技前沿领域，并明确要实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
除量子计算外，面向整个量子科技的红利市场，中国也已经开始行动。
1、量子通信
量子通信是指利用量子叠加态或量子纠缠效应等进行信息或密钥传输，基于量子力学原理保证传输安全性，主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两类。
2016年8月升空的“墨子号”量子科学实验卫星和2017年9月开通的量子通信“京沪干线”，使我国成为世界量子通信应用的领先者。两者结合，中国成功与奥地利实现了世界首次洲际量子保密通信，也标志着中国已构建出天地一体化的广域量子通信网络雏形。
2、量子测量
量子测量基于微观粒子系统及其量子态的精密测量，完成被测系统物理量的执行变换和信息输出，在测量精度、灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有明显优势。
目前国内量子测量产业企业要属以量子精密测量为核心技术的国仪量子（合肥）技术有限公司，该公司技术源于中科院院士杜江峰领导的中科大中科院微观磁共振重点实验室。其开发的脉冲式电子顺磁共振波谱仪、钻石单自旋量子精密测量谱仪等产品已在科学研究和医学研究领域进行销售，在能源探测设备研制和电力电网领域进行了合作，其中钻石单自旋量子精密测量仪已有数千万元的订单。
写在最后
量子领域已逐渐成为各个科技强国的未来战场，如今，继量子通信领域实现国际领先后，我国在量子计算领域再次迎来里程碑式的突破，加之国家层面正式定调，我国量子科技领域即将迎来大规模投入、研究阶段。
正如潘建伟对本次量子霸权的评价：“这是一个动态过程，所有领先都只是暂时的。”相信在国家政策扶持与学术界的努力之下，我国量子科技的整体实力将持续上升、领跑国际！
参考资料：
1.《重大里程碑：潘建伟团队实现 “量子计算优越性” ！原型机 “九章”诞生，比最快的超级计算机快一百万亿倍》， DeepTech深科技
2.《碾压谷歌"量子霸权"！中国量子计算原型机 "九章" 问世，比超级计算机快百万亿倍》，雷锋网
3.《里程碑式突破！中国量子计算原型机“九章”问世，实现“量子霸权”》，科技日报
4.《重磅利好！中央政治局集体学习，周末刷屏的量子科技远比你想象中厉害》，物联网智库
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