九章问世，国产化量子计算机领域突破

2020年12月4日，中科大潘建伟、陆朝阳团队在《科学》上在线发表了论文，宣布成功构建 76 个光子的量子计算原型计算机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需 200 秒，而目前世界最快的超级计算机需要用6亿年。

量子信息在众人眼中是一个神秘而充满争议的科技领域，一方面量子信息并没有走向日常应用，还处于非常前沿的科技领域 另一方面，我国科研团队 在量子信息部分领域走在了世界的前沿，高层在量子信息领域给予了极大的关注度，让量子信息频频出现在众多政策规划之中。

量子信息作为一种前沿科学，目前仅有的落地的应用集中在量子保密通信领域。在这个应用方向中，以中科大潘建伟为首的团队已经实现了全球领先，成为了近现代唯一一个由中国新创造的产业，因而也面对了更多的市场质疑。

量子信息是什么？

量子信息是量子力学与信息科学的交叉学科，是借助量子力学的特性，实现经典信息科学中实现不了的功能。在量子力学的诸多原理中，叠加、测量、纠缠三大违反宏观世界认知的奥义对量子信息的研究起到了决定性作用。传统的信息科学使用比特作为最基本的表示单位，对应了0和1两个可能的状态；而量子信息中使用的量子比特是一个旋钮，对应无穷多个状态，信息量大幅增加。因而面对计算量指数级增长的问题时，量子信息可以发挥出潜在的巨大优势。

但是量子信息的利用对算法要求较高，目前人类仅仅在少数特定应用上取得了突破。

量子信息按照研究内容可以分为量子计算、量子通信、量子测量三个大类，其下又可以分为量子因数分解、量子搜索、量子保密通信（又称量子密钥分发 、量子密码术， QKD）、量子隐性传态（QT）等应用领域。

九章问世，在量子计算领域实现突破

从中国在量子信息领域的发展情况来看，我们在量子通信领域处于全球领先的地位，在量子计算领域前期落后于美国。但是此次“九章”的问世意味着我国已经在量子计算领域成为了除美国以外，第二个实现量子霸权的国家。

量子计算机对经典计算机的超越过程可以划分为3个步骤：

1、超越早期计算机

2、超越个人电脑

3、超越超级计算机 涉及就是量子霸权 （也称“量子计算优越性 的概念，具体来说：

是指量子计算在解决特定计算困难问题时，相比于超级计算机可实现指数量级的运算处理加速，从而体现量 子计算原理性优势。业界认为，如果量子计算机能以足够低的误差有效操纵50个左右量子比特，计算能力就能实现量子霸权。

2019年10月， google宣布首次实现“量子霸权”。Google 称其新的 53 位量子计算机 悬铃木 可以在 200 秒内运行需要全球最庞大的超级计算机耗时 10000 年才能完成的测试。

根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比 google 的 量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。同时， 九章 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 google 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。 

此外，学术界关于 google 是否实现了量子霸权仍然存在争议， IBM 就宣称可以通过对算法的经典模拟优化来提升超算的能力，让google 称霸失败，而对于九章的成果业界给出了近乎一致的肯定。

九章出现后，量子计算机对经典计算机的替代仍然漫长

在九章出现以后量子计算要实现对经典计算机的替代仍然长路漫漫 。从量子计算 发展 的三个阶段 来看这个过程：

第一阶段，针对一些特殊问题实现量子霸权。虽然目前这一步我们已经实现，但是随着经典算法和硬件的不断优化，量子计算与经典计算的竞争还是处于长期的动态过程。此外九章处理的“高斯玻色取样”问题和悬铃木处理的“随机线路采样”问题都是有利于证明量子霸权的问题，目前都没有实用价值。

第二阶段，实现一种专用的量子模拟机，可以解决 高温超导机制、特殊材料设计等目前计算机无 法处理的 、有实用价值的问题 ，预计需要几百个量子比特量级来实现

第三阶段造出可编程的通用量子计算机 具备容错能力，以及软件、算法的支撑，可能需要上百万甚至更多的物理比特 来实现 。

在未来相当长的一段时间内量子计算机不会替代经典计算机 而是成为经典计算机的补充。因而在发展量子计算的同时，各国仍然在努力加快 E 级超算的研发和加大对 超算应用的探索，来夺取 算力 的制高点。

卫星发射和网络建设

国家到2030年左右率先建成全球化的广域量子保密通信网络，并在此基础上，构建信息充分安全的 量子互联网。基于这一规划我们看到 国内正在建设以及拟建设的重大项目主要有：

1、国家广域量子骨干网 ，总长度约3.5万公里。2018年2月发改委 批复建设国家广域量子骨干网络建设一期工程项目，总投资7.78亿元（包括京汉段、汉广段、沪合段三段骨干网约3,800公里），建设期三年。

2、山东“齐鲁干线2020年3山东省出台《关于山东省数字基础设施建设的指导意见》，提出依托济南、淄博、潍坊和青岛等市，构建横贯东西的量子保密通信“齐鲁干线”，满足与京津冀、长三角及海外重要城市间广域量子保密通信需求。项目已有明确的建设投资计划，用三年分两期建设。

3、国盾量子与中国电信 合作及试点安徽省“江淮量子网” 中国电信将通过与国盾量子的合资公司逐步建成覆盖安徽省 16 个地市的量子通信江淮网和量子安全云。

4、国防领域量子通信项目国盾量子 6 月公告称“在预研及演示验证阶段，有关科研类项目已持续为科大国盾带来订单。目前发行人正在配合相关主管部门进行型号研制前期准备工作，型号研制完成后待列装可能带来持续性订单。”

未来，我国还 将发射多颗由 中 高轨道和低轨道卫星共同组成的量子星座，与地面光纤量子通信共同组成天地一体化的 、全天候通信的 量子通信网络

量子信息科学国家实验室的建设

目前，我国正在进行量子信息科学国家实验室的建设，这是继 墨子号量子卫星、量子通信京沪干线 之后，中国在量子科学领域的又一次大手笔投入 涉及到的国家长期投入将达到千亿元 。

作为国家重点支持的重大前沿科技项目，量子信息科学国家实验室 涉及合肥、上海和北京等地，仅合肥实验室占地就将达554 亩 是安徽省科技创新的 “一号工程 。

2016年，为贯彻落实习近平总书记视察安徽重要讲话精神，安徽省委、省政府决定依托中科大创建量子信息科学国家实验室 。按照科技部要求，由中科大潘建伟院士牵头按照与科技创新 2030 重大项目“量子通信与量子计算机”一体化实施的思路，编制 了 国家实验室组建方案提出了 “一总部、两分 中心加网络”的建设格局 。

该项目已经获得安徽省和上海市政府各10亿元左右的配套启动资金2017年安徽省财政还设立了总规模100亿元的量子科学产业发展基金。

量子信息科学国家实验室一期计划总投资70亿元，项目建成后将进一步推动 国家量子科技发展。

参考来源：中原证券

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