中国的量子计算机研究，再次取得突破，比超级计算机快了亿万倍

如果说仰望星空、苍穹星流涌动，表现的是相对论，那么进入微观、原子中子电子的数学意识流世界，就是量子力学的绝对领域，而在这个绝对领域，中国就是大佬。

十月末尾，中国科学技术大学传来了一个重磅消息，“祖冲之二号”与“九章二号”，打破了量子计算机纪录，中国成为世界上，有且仅有的在双物理体系上，实现“量子计算优越性”的国家。

换句话说就是，中国又又又成为了世界第一！

但外行的我们想要真正明白这个消息的分量，还得先了解一点量子力学知识，不同于大众对量子力学神秘的认知。实际上，量子力学是现代应用得最普遍的物理学，电脑、芯片、电话、光纤电缆，都是在量子力学的摇篮中成熟的。

真正让量子力学背负“玄学”虚名的，其实是量子力学“三大奥义”：叠加、测量、纠缠。

它们完全颠覆了宏观世界的常识，以至于爱因斯坦听到这样的理论，说出了那句“上帝不会掷色子”的名言，理解了“三大奥义”，我们就能理解为什么量子力学是真正的未来科学。

中国取得的成就到底有多么重大？

重难点多，赶紧上车。

经典力学告诉我们，一个物体的状态是确定的，就像猫一样，要么是生，要么是死，然而量子力学却告诉我们，物质的存在是状态的线性叠加，也就是说，猫既生又死，这被称为薛定猫态。

听说过薛定谔的猫吗？

那一只猫，被封在装有毒药和食物的密室里，密室里有放射性原子、若原子核衰变，猫就会被释放的毒药毒死，衰变的概率为50%。

也就是说，在我们没有打开盒子观测猫的状态之前，猫处于的既生又死的状态，就是叠加态，薛定谔的思想实验，反驳了爱因斯坦的“上帝不掷色子”，海森堡的思想实验则将告诉我们，微观世界的月亮，不能乱看，看了说不定就变了。

给你一个绝对真空的室内，可以发射任意波长和数目光子的光源，可以发射单个电子的电子枪，一个高倍数显微镜，请问，观测电子总共花几步？

很简单，你会告诉我，第一，发射电子，第二 发射光子，第三，光子照射到粒子，观测电子。

但海森堡告诉你，你永远不可能准确地观测到电子的位置和动量，在宏观世界中，我们可以随便观测月亮的位置和动量，因为光子的能量相对于月亮来说，真的太小了，小到可以忽略不计。

但是别忘了，我们是在观测电子，光子顿时就变成一个庞然大物，照射到电子上的能量会反冲而改变电子速度，相反，若将光子的波长增大到不足以影响电子的程度，你又会发现，光的衍射现象，又让我们无法观测到电子的准确位置。

这是一个只会发生在微观世界的死局，在量子力学中，任何测量都会参与到事物演变的过程中，看不看月亮，很重要，而每次测量都必须对应某个基组，基组是什么我们暂时不需要了解，只需要知道，测量过程中采用基组，会直接导致粒子状态从不确定变为唯一确定。

举个形象的例子，你的面前有一杯浓度很低的盐水或者糖水，你无法靠品尝来得知水的属性，但是你身边有两根筷子，分别掺杂了一定浓度的盐和糖，你知道，用筷子搅拌水，如果水的属性和筷子一样，水的味道就会变浓，浓到恰好你可以尝出是盐水还是糖水。

但如果你猜错了，比如用盐筷搅拌了糖水，你就只能尝出盐水的味道。

你能怎么办，答案是无解。

投射到量子力学，事情就变成了这样：

我们不知道这个粒子的“态”是怎么样的，但是我们可以“蒙”，如果用了恰好包含粒子的“态”的基组，那测量过程就不会改变粒子状态，反之，粒子被不匹配的基组测量了，态就会向这个基组滑落，颇有点嫁鸡随鸡的味道。

在量子力学中，这被称为“坍缩”，坍缩是无法避免的。

这反映了量子力学的一个本质特征，内在随机性。

现在就剩下最后一个奥义，纠缠，也是外界眼中最神秘的一部分。在星际穿越中，纠缠被用来空间传送，可是在现实世界中，人这样的庞然大物，可以实现空间传送吗？

以人类的伴侣关系打比方，有的是夫妻本是同林鸟，大难临头各自飞，有的却是合则生、分则死，在这样的对应关系中，彼此依存不可分离的关系就是纠缠态，可以分离的状态，被称为直积态。

处于纠缠态的多个粒子 变化一致，爱因斯坦并不愿意承认纠缠态，于是他和波多尔斯基 罗森做了一个思想实验，这个实验被称为“EPR”实验，让两个粒子A与B处于|β00>态，称为EPR对。

A和B被分开很远，现在你对A进行观测，根据刚刚学会的“测不准”原理，我们知道 A的状态被改变了，如果按照量子力学的说法，B在没有被观测的情况下，也会随着A的改变而改变，但是爱因斯坦们认为，粒子之间产生了“鬼魅般的超距作用”，信息的传播速度超过了光速，违反了相对论，于是纠缠态被证伪。

但是在1964年，贝尔设计出“贝尔不等式”来验证EPR实验。

1980年开始，阿斯佩克特等一系列研究组的实验，在很高的置信度上，违背了贝尔不等式，量子力学被验证为正确，现代量子力学对此给出的解释是，处于纠缠态的两个粒子是一体的，它们的变化并不是依靠信息传输来实现的，因此不违反相对论。

说到这里，叠加、测量、纠缠，三大奥义大家都清楚了，漫长的铺垫是值得的，中国打遍世界无敌手的墨子号，将在这里起航。

2016年8月16日，墨子号量子卫星在新疆南山成功发射，中国率先实现了千公里级星地双向量子纠缠分发，高速星地量子密钥分发，星地量子隐形传态实验，三大科学目标提前并圆满实现。

新疆南山的山与月，不会明白这个实验是怎么成功的，但对于知道了三大奥义的我们，可以明白，量子力学与信息科学的交叉学科，量子信息中，一直存在一个巨大的命题：有没有一种密码体系，可以实现理论上的不可破解。

量子力学给出了答案：不对称密码体系。

现在应用得最广的密码术，是以因数分解为基础的RSA对称密码系统，但在1994年，肖尔就发明了一种量子算法，将本来是指数增长难度的因数分解，降低到了多项式级别，尽管在现实世界中，技术的种种阻碍，还不能实现量子计算的最大潜能，但是从理论上说，RSA密码术已经不安全了。

毫无疑问，未来的战争是信息的战争，信息的泄露将带来巨大的灾难。

为此，美国国家安全局设立了“穿透硬目标”项目，计划建造一台专用于破解密码的量子计算机，用于破解国外政府密电，这项绝密的项目，在斯诺登出逃美国后被爆出。

由此可知，密码术对于一个国家来说，占有多么重要的战略地位。而我国自然不会坐以待毙，尝试利用量子力学，打通密码术任督二脉，为我所用。

对称密码制的缺陷在于，需要信使传递密钥，在这个过程中，信使可能会叛变，也可能被杀死，密钥就落入敌手，而量子密码术就是要去掉信使这个中介，让传递和接受信息的双方，共享密钥。

还记得三大奥义吗？

现在让我们把它们用起来，假设小明想要用量子密码术传递一条信息给小红，他应该怎么做，现在，我们需要两个基组，数字0和1，以及一枚硬币，小明用抛硬币的办法，产生一个随机数0或1，随机数决定在基组A或B中对粒子进行测量。

选定基组后，小明再抛硬币产生随机数，再根据新的随机数选择在基组中的状态，小明将两个随机数记录下来，假设为01，双重选择后，他用选定的基组和转态，改变了粒子的状态，再将粒子传输给小红。

小红重复小明的动作，假设得到随机数00，双方重复两次，最后小明得到0110，小红得到0011，这个随机数有什么用呢？

选对了基组，粒子状态不变，选错了基组，粒子状态改变，而选对选错的概率，各为一半，当实验重复多次后，这个50%的概率，就会固定下来，小明和小红打电话对一下随机数，他们就可以将不一致的数字去掉，剩下的一致的部分就是密钥。

量子密码术不仅将密钥泄露的概率降低到无限逼近于0，还杜绝了敌人窃听的可能，假如窃听者截获了粒子后进行观测，粒子的状态就会改变，新状态的粒子回到小红手中，小红与小明的随机数的重合度就会低于50%，这就说明有窃听者动了粒子，小红就可以及时止损。

反之，如果窃听者不观测粒子，在避免暴露的同时，也无法得到秘钥，这就实现了绝对安全的信息传递，理想很完美，但将理论应用于现实，需要克服的阻困难不是一星半点儿。

而潘建伟团队，就是做这个的，潘建伟遇到的一大难题就是，如何尽量提升单光子源的安全传输距离，对此，团队计划了两个方案：

第一个方案是用传统的光纤进行传输，每隔一两百公里，就增加一个安全中继器；而第二个想法可谓石破天惊，潘建伟团队，竟然把主意打到了卫星上。

众所周知，卫星与地面处于高速的相对运动中，想将传输与接收方的探测器对准，按照袁岚峰博士的话说，相当于在五十公里以外，把一枚硬币扔进全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里。

就是在这样地狱级的开局难度中，潘建伟团队于2012年，在青海湖的湖心小岛上，实现了百公里级的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，验证了量子通信卫星的可行性。

时隔4年 2016年8月16日，潘建伟团队又在新疆南山发射了墨子号量子卫星，墨子号实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发，高速星地量子密钥分发，地星量子隐形传态等实验，使中国成为国际上第一个实现一星三发实验的国家。

提前完成目标，按照预定计划，到2025年，中国将构建起全球首座由中国主导的量子星群，15年后，中国的量子互联网，有可能代替美国主导的光纤互联网，这背后意味着什么，我想不必多说。

在光纤中继站的线路上，中国也遥遥领先，量子保密通信的“京沪干线”。

于2013年7月立项，于2017年9月29日开通，北京、济南、合肥、上海的内部量子网络，通过几十个中继站连接起来，2000公里的长度，成功实现首次洲际量子通信。

不仅如此，量子通信还能开拓金融业务，工商银行等机构已经开始试用，只能说，中国在量子通信上实在跑得太快了，美国感到了深深的危机感。

于2016年7月22日，发布了《先进量子信息科学：国家挑战和机遇》，报告中提到，在未来的5-10年，美国将开发出可靠的光子源及相关技术，实现远距离量子信息传输。

2018年，美国颁布了《国家量子倡议法案》，宣称决不能容忍在量子科技领域落后，而美国不甘落后的主要发力点，则巧妙避开了中国优势尽占的量子通信，选择了中国步调稍慢的量子计算跑道。

2019年10月23日，英国《自然》杂志刊登了一篇的论文，谷歌研发的量子计算机悬铃木，计算量超过当前最先进的经典计算机，200秒可以计算经典计算机一万年的计算量。于是美国宣称，这台包含54个量子比特的量子芯片“悬铃木”，实现了“量子霸权”，“量子霸权”又称“量子优越性”。

指量子计算机可以在某些领域，做超出经典计算机能力的事情。

什么意思呢？

跟田径赛马一样的道理，量子计算机在它的优势领域能赢过经典计算机，就算量子计算机赢，至于是否可编程，是否通用，都不重要，按照现在量子计算机的发展看，我们是不能指望拿它打游戏，看视频的。

量子计算机一般针对特定问题而设计，谷歌的悬铃木处理的问题就是随机路线取样，但是美国的IBM公司，却对悬铃木发出了质疑，IBM称，谷歌的算法只用到了内存，但实际上，只需要把一部分数据放到硬盘上，经典计算机的计算时间就可以缩短到2.5天。

但是无论怎么说，以200秒对阵2.5天，量子计算机的优势还是压倒性的，悬铃木成为世界上第一个实现量子优越性的量子计算机，然而这个压力，在一年后，就被中国的“祖冲之二号”刷新了。

2021年5月7日，新华网报道了一则消息：潘建伟的团队成功研制了62比特可编程超导量子计算机原型“祖冲之”，它不仅实现了可编程的二维量子行走，处理的计算复杂度还比悬铃木高出一百万倍。

2021年10月26日，潘建伟团队再次传来喜讯，66比特可编程超导量子计算机原型机“祖冲之二号，求解“量子随机线路取样”任务的速度，比最快的经典计算机快1000万倍以上，完全可编程的能力和并行高保真度量子操控能力，还将泽被于各种实用领域。

如密码破译、大数据优化、药物分析、材料设计等，在世界为“祖冲之二号”瞠目结舌的时候，“九章”带着前无古人的智慧，来到了这个世界。

在物理体系的选择上，悬铃木和祖冲之系列，都是在超导的赛道上竞争。

而九章却开拓了光学这条跑道，光子量子计算机“九章”，处理的问题叫做高斯玻色取样，就是计算一个光路的每个出口分别有多少光出去。

2020年12月份，“九章”在潘建伟团队手中诞生，这是一台有76个光子100个模式的量子计算机，它处理高斯玻色取样的速度高过超级计算机一百亿倍，是经典计算机一亿年的计算量。

2021年10月，在“祖冲之”迭代到二号之时，“九章”也迎来了二代，“九章二号”的光子增加到113个，模式增加到144个，计算速度是全球最快的超级计算机的10的24次方倍，也就是亿亿亿倍，等效比悬铃木快一百亿倍。

九章的问世，使我国成功跻身量子计算的世界领先地位，打击了美国一直想要压我们一头的野心，九章系列和祖冲之系列的出现，使我国在两个物理体系上实现了量子计算优越性。

在全世界只有中国做到了，而欧洲、美国、日本纷纷产生了危机感，欧盟在2016年推出“量子宣言”计划，预计在未来十年投资10亿欧元，支持量子、通信、模拟、传感的研究和推广。

日本文部科学部也成立量子科学技术研究开发机构，为量子技术投资400亿日元。

2020年，美国又宣布建设量子互联网蓝图，扬言美国将在量子信息领域保持领先地位，以确保美国经济的长期繁荣和国家安全，世界永远在进步。

对手也摩拳擦掌，跃跃欲试，但我国一向不会阻碍别人的进步，而是将以他人的野心，化为自我的鞭策。

来吧，迎头赶上，尽管我们早已扬尘而去！