照片由中国科技大学提供
《九章》量子计算原型物理地图数据图
“九章”量子计算原型光路系统示意图图片由中国科学技术大学提供
12月4日，包括本报在内的多家媒体报道了量子计算的一大成就：中国科学技术大学的潘建伟、卢朝阳搭建了一台光子76个、模式100个的量子计算机“九章”，其“高斯玻色采样”的处理速度比最快的超级计算机“富越”快100万亿倍。也就是说，超级计算机需要一亿年才能完成任务，《九章》只需要一分钟。同时，《九章》相当于比谷歌去年发布的53位超导量子计算机原型“悬铃木”快100亿倍。
然而，尽管许多读者对这一伟大的科学研究成果感到惊叹，但他们并不清楚量子计算机的原理、意义和应用前景。甚至有读者报告说“每个汉字都认识，但还是不理解”。为此，本报记者采访了相关专家，试图揭开《九章》的神秘面纱，了解量子计算机的原理。
什么是量子计算机
“量子计算机是用量子力学原理制成的计算机，目前还处于非常初级的阶段。因此，我们正在使用的现有计算机被称为经典计算机。”袁兰峰，中国科学技术大学微尺度材料科学国家实验室副研究员，一直致力于科普写作。他告诉记者，两者的计算形式是不同的。“计算机通过电路的打开和关闭进行计算，而量子计算机使用量子态作为计算形式。”
无论是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息都会在硬件电路中转换成1和0。每一位代表0或1。这些位是信息，然后被传输、计算和存储。正是因为0和1的这种“计算”过程，计算机才被称为“计算机”。
另一方面，量子计算利用量子的自然叠加来显示并行计算的能力。“量子力学允许一个物体同时处于多种状态。0和1的同时存在，意味着可以同时完成很多任务，所以它具有超越计算机的计算能力。”中国科技大学教授陆朝阳说，每个量子位不仅可以表示0或1，还可以表示0和1乘以一个系数再叠加。系数不同，这种叠加的可能性会很多很多。
“目前的量子计算机使用原子、离子、光子等物理系统。不同类型的量子计算机使用不同的粒子。这本《九章》用的是光子。”袁兰峰说。
袁兰峰告诉记者，量子计算机并不是对所有问题都超越经典计算机，而只是对某些特定问题超越经典计算机，因为它们为这些特定问题设计了高效的量子算法。“对于没有量子算法的问题，比如最简单的加减乘除，量子计算机没有优势。”
“九章”到底长什么样
在中国科学技术大学光量子实验室，记者看到了奠定中国量子计算优势的《九章》。
从外观上看，与其说是计算机，不如说是一个开放的计算系统：实验台上3平米左右的格子里堆满了成千上万的组件。"这些是量子计算机原型的光路."潘建伟研究组的袁振生教授说，“是通过中国自主创新的量子光源、量子干涉、单光子探测器等。我们已经建立了一个76个光子的量子计算原型。”
在另一张桌子上，有《九章》的接收者。“如果你站在两张桌子中间，说明你在九章”。
本来神秘的“九章”就是一堆光路和接收装置。
袁兰峰告诉记者，光学是实现量子计算的一种手段，与超导、离子阱、核磁共振等许多其他手段并列。“中国科学技术大学把光学带到了世界的中心，大大拓展了学术界对这一手段上限的估计，这就是这一成果的技术意义。"
“九章”确立的“量子计算优越性”有多厉害
《九章》的成果就是实现了量子计算的优越性。“量子计算机在某个问题上超越了现有最强的经典计算机，被称为‘量子优势’或‘量子霸权’。”
袁兰峰后来解释说，“其实‘量子霸权’是一个科学名词，与国际政治无关。这意味着量子计算机在某个问题上远远超过现有的计算机。”
基于量子的叠加性，许多量子科学家认为，量子计算机在特定任务上的计算能力将远远超过任何经典计算机。2012年，美国物理学家约翰普雷斯基尔将其描述为“量子计算优势”或“量子霸权”。2019年，谷歌率先宣布量子优势。他们用的量子计算机叫“悬铃木”，他们处理的问题可以大致理解为：一个量子随机数发生器是否真的是随机的。
“谷歌制造的‘悬铃木’包含53个量子位，对一个量子电路进行100万次采样需要200秒，而现有最强的超级计算机需要1万年才能完成同样的任务。200秒到1万年，如果这是双方最好的表现，那么确实是压倒性优势。”袁兰峰说，《九章》和《悬铃木》的区别在于它们处理的问题不同，用来构建量子计算机的物理系统也不同。《九章》用光学，《悬铃木》用超导。"这两者不是优劣之分，而是技术路线不同."
“‘九章’比同轨‘悬铃木’快一百亿倍。这是等效速度，也意味着中国在量子计算上实现了‘量子霸权’。袁兰峰进一步解释说，《九章》的成果牢固确立了中国作为国际量子计算研究“第一方阵”的地位。这是因为《悬铃木》第一，《九章》毕竟是第二，所以只说中国离美国不远。“在量子通信方面，我们不会谈论‘第一方阵’。因为那里没有方阵，中国显然是世界上最先进的。”
何谓高斯玻色取样
所有报道都提到“第九章处理高斯玻色采样的速度比目前最快的超级计算机傅月快100万亿倍”。那么，什么是高斯玻色采样呢？
“玻色采样是用来论证量子计算优越性的具体任务之一，一直受到科学家的高度期待。”袁玉峰说：“大致可以理解为一个光路中有多个出口，每个出口出射的光有多少。”
因为量子力学赋予光子很多不可思议的性质，不同路径的光子不仅可以相互重叠，还可以相互抵消。具体结果视情况而定，非常复杂。“面对这样一个难题，Bose采样装置将发挥作用。因为它像一台计算机，可以高精度地解决具体的数学问题，应用光子的量子力学性质，所以可以称之为一种‘光学量子计算机’。”袁兰峰说。
这次，由中国科学技术大学潘建伟、卢朝阳组成的研究团队与中国科学院上海微系统研究所、国家并行计算机工程与技术中心合作，成功开发了“九章”。与以前的Bose采样器的主要区别在于输入光子状态，即升级了以前的Bose采样器。“玻色采样器输入独立的光子，而‘九章’则输入一组相互关联的量子光波。”袁兰峰说，因此，《九章》比经典计算机快很多倍，真正体现了“量子计算优势”。
量子计算机要不要装系统
“量子计算机本身就是一套‘系统’。”中国科学技术大学梅琳教授说，独立的光学元件提供硬件，而复杂的光路结构决定了它的“算法”。“比如一台以光子为量子位的量子计算机，需要一个能够产生光子、改变光子状态、完成‘算法’的具体光路结构的单光子源，需要一个单光子探测器来观察光子的最终状态。”
据了解，对于量子计算机的控制，仍然需要通过普通计算机输入输出信息。工人需要在普通计算机上输入初始数据，数据在量子计算机控制系统中进行转换计算，最终结果传回工人的普通计算机。
量子计算机距离实用还有多远
量子计算机能处理实际问题吗？答案是：可以。
“比如因式分解，量子计算机有快速算法。因式分解的难度是最常用的密码体制RSA的基础，所以量子计算机可以快速因式分解，也就是说可以快速破解密码。”袁兰峰说：“问题是现有的量子计算机只能分解小数字，不足以破解实用密码。所以，在实现了量子优越性之后，下一个重要的目标就是创造出一台超越经典计算机的量子计算机来解决一个实际问题。”
“火车刚发明的时候，连车厢的速度都跟不上；飞机刚发明的时候，只能在天上飞1分钟；量子计算机刚发明的时候，计算过程不可能持续几分钟。”袁兰峰说，在量子计算发展到今天的情况下，我们开发的《九章》不仅快速稳定，而且具有潜在的应用价值。“无论量子计算机现在多么初级，总有一天，它会一步步向我们走来，就像曾经的火车和飞机一样。也许在未来，我们可以利用光学实现一个真正强大的量子计算机，也就是一个可以处理很多实际问题的可编程量子计算机。”
科学界如何评价“九章”
《九章》出版后，获得了科学界的一致认可。《科学》杂志的审稿人认为，这一成果是“最先进的实验”，是“重大的成就”。
德国马克斯普朗克研究所(Max Planck Institute)所长、沃尔夫奖(Wolff Prize)和富兰克林奖章获得者伊格纳西奥西拉克(Ignacio Cirac)表示：“总的来说，这是量子技术领域的一项重大突破，它朝着开发比经典计算机更具量子优势的量子器件迈出了一大步。”奥地利科学院院长、沃尔夫奖获得者、美国科学院院士安东泽林格评论说：“这项工作非常重要，因为潘建伟和他的同事已经证明，基于光子的量子计算机也可能实现‘量子计算优势’。我预测有一天量子计算机会被广泛使用。连大家都可以用。”
麻省理工学院教授、美国青年科学家总统奖获得者、斯隆奖获得者德克恩格隆德称之为“划时代的成就”。他说：“这是中型量子计算机发展的一个里程碑。它表明，在复杂系统的前沿领域，我们正处于一个非常特殊的时刻，复杂系统具有我们今天在计算机上无法预测的复杂性。因此，这是一项了不起的成就。”
加拿大卡尔加里大学教授、量子科学与技术研究所所长巴里桑德斯(Barry Sanders)说：“我认为这是一项杰出的工作，改变了目前的模式。我们一直在努力证明量子信息处理可以克服经典信息处理。这个实验超出了经典计算机的能力范围。我认为这是量子计算领域最重要的成就之一。这个实验没有争议，毫无疑问，这个实验得到的结果远远超过了传统机器的模拟能力。我想说的是，这个实验的技术挑战是巨大的。为了得到这个结果，他们必须解决许多非常困难的技术问题。仅在技术层面上，他们的成就令人印象深刻。这是一个人们梦寐以求的实验。他们做到了，让梦想变成了现实。”
