“九章三号”来了！就像孙悟空的“分身术”，量子计算为何如此神奇

潮新闻 记者 屠晨昕

在刘慈欣科幻小说《镜子》里，主人公研制出一台量子计算机，给定每个粒子的初始条件，它竟模拟出我们这个宇宙的演化过程，像镜子一样忠实地还原现实，使人能了解并预测现实世界发生的一切……

图源视觉中国

今天传来一条振奋人心的消息，让我们距离那样的神奇未来更近了一步——

中国科学技术大学浙江东阳籍科学家潘建伟、陆朝阳团队与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，宣布成功构建255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和量子计算优越性的世界纪录。

今天（10月11日），国际知名学术期刊《物理评论快报》发表该成果。在求解高斯玻色取样数学问题时，“九章三号”比上一代“九章二号”提升100万倍，比目前全球最快的超级计算机“前沿”（Frontier）快一亿亿倍。“九章三号”1微秒可算出的最复杂样本，“前沿”要算约200亿年！

世界上没有什么技术跨越，能像量子计算机对经典计算机的优势如此巨大。一旦通用性量子计算机在一些实质性领域获得重大突破，人类面临的一些重大挑战和难题很有希望迎刃而解，譬如加速药物开发、优化交通规划、提升密码安全、探索宇宙奥秘等。

2017年4月20日，在中科大量子存储实验室，潘建伟院士正在了解科研情况。图源视觉中国

两条技术路线都实现“量子优越性”，世界唯一

1981年，诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出量子计算机构想。作为信息科技“后摩尔时代”一种新型计算范式，量子计算在原理上具有超快并行计算能力，可通过特定算法产生超越传统计算机的算力，解决重大经济社会问题。

2020年，潘建伟团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，处理高斯玻色取样问题的速度比当时最快的超级计算机快100万亿倍，使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。2021年，他们进一步成功研制113个光子的“九章二号”和66比特的“祖冲之二号”量子计算原型机，使中国成为唯一在光学和超导两条技术路线都实现“量子优越性”的国家。

而“九章三号”则将光子数提升到了255个，输出态空间维度达到了10的43次方。这意味着我国在光量子计算领域已经达到了世界领先水平，展示了中国科技创新和自主研发的强大能力和信心。

“我们研制了基于光纤时间延迟环的超导纳米线探测器，首先把多光子态分束到不同空间模式，然后通过延时把空间转化为时间，实现了准光子数可分辨的单光子探测系统。”据研究团队成员、中国科大教授陆朝阳介绍说，这些创新使团队首次实现了对255个光子的操纵能力，极大提升计算的复杂度。

2021年9月18日，合肥，陆朝阳在2021量子产业大会上作量子计算研究进展主题报告。图源视觉中国

孙悟空的“分身术”，量子计算的神奇技能

为什么量子计算有相对于经典计算机如此颠覆性的优势呢？对此，潘建伟院士曾经打了一个简单而生动的比方——

孙悟空有一项本领：可以变出许多个自己。他只需要拔下一根汗毛吹一下，就能变出无数个一模一样的自己。假设你在一个迷宫里，迷宫只有一个出口，你可能要尝试无数次才能走出迷宫。但在量子世界中，你就像孙悟空一样拥有了无数个分身，每个分身都去探索一条线路，这样就能以最快的速度找到迷宫的出口。这，就是量子计算机和普通计算机的区别。

经典计算机使用比特作为信息的基本单位，每个比特只能0或1。而量子计算机使用量子比特作为信息的基本单位，每个量子比特可以同时表示0和1两种状态，或者说是0和1的叠加态。这就使得量子计算机可以同时处理多个信息，实现并行计算和指数加速。

2021年2月26日，北京量子信息科学研究院超导量子计算实验室内，研究员正在进行科研工作。图源视觉中国

光学和超导两条量子计算技术路径，各擅胜场

前面提到，当前量子计算机有光学和超导两条主要的技术路线，“九章”系列属于光量子计算机，这是一种基于光子（光的粒子）作为载体和操纵对象的量子计算机。

光量子计算的优势在于，光子具有很好的相干性和稳定性，不易受外界干扰，可以保持较长时间量子叠加态；光子可以实现高效率和高精度的单光子源、单光子探测器、多光子干涉等关键技术；光子可以方便地与其他物理系统进行耦合和交换信息，实现多平台的量子网络和通信。

而超导量子计算也有其长处——量子比特可控性强、拓展性良好、可依托现有成熟的集成电路工艺。但劣势也很明显：为保障退相干时间，超导量子比特必须在接近绝对零度的真空环境下运行，这就必须依赖强大的低温制冷系统。如果室温超导技术获得实质性突破，超导量子计算将有望迎来爆发性的大发展。

2019年9月25日，“2019云栖大会”上的量子计算展台。图源视觉中国

通用量子计算机，或将天翻地覆般改变我们的生活

随着时代的发展，人类对计算能力的需求越来越大。但是，“摩尔定律”已经基本失效，经典计算机接近了其物理上的“天花板”，无法满足一些复杂和重要的问题的求解。例如，目前最快的超级计算机也无法模拟一个含有几十个电子的分子的运动，也无法破解一些强大的密码系统。而量子计算机则可以突破这些限制，实现指数级的加速。

人类面临着许多重大挑战和难题，需要借助更强大的通用量子计算机来解决。例如，新型药物的开发需要模拟复杂的分子结构和反应过程，交通规划需要优化庞大的路网和车辆流动，信息安全需要防范日益增长的网络攻击，宇宙探索需要处理海量的天文数据……当那一天临近时，我们或许会惊讶地发现，我们的生活面貌被改变的程度将远超想象，堪称革命性。

据悉，量子计算发展有三步：第一是实现量子计算优越性，需要相干操纵50个以上量子比特，这一步已基本完成；第二是制成实用量子模拟机，需要相干操纵数百到数千量子比特；最后，制成通用量子计算机，需要相干操纵数百万量子比特。

目前的“九章三号”，还只是具有潜在应用价值的“单项冠军”。潘建伟团队表示，期待这次突破能激发科学界更多关于经典算法模拟的研究，解决各种科学和工程挑战，加快实现通用量子计算机。

在“九章三号”的成果公布之际，让我们期待那激动人心的未来世界早日到来。

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