超级计算机的100万亿倍！中国量子计算机“九章”为何这么快？

12月4日，由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，该计算机处理特定问题的计算能力比目前最快的超级计算机快一百万亿倍，比2019年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

为何量子计算机能这么快，其背后的技术原理是什么？中科大“九章”相比谷歌的“悬铃木”有哪些技术突破？

中科院院士、中国科学技术大学郭光灿教授此前接受财经记者专访时表示，目前现有电子计算机处理数据的方式是串行运算，即存储器只能存一个数，操作一次变成另一个数，所以操作是一步一步的。而量子计算机从原理上是并行处理，操作一次可以把2的N次方数据变成另外2的N次方数据，所以操作一次量子计算机，相当于操作电子计算机2的N次方串行的次数，这就是量子计算机能够超过电子计算机最重要的物理原因。

据了解，量子计算机的计算能力与它单个芯片里面有多少个量子比特有关，量子比特就是那个“N”。在“九章”发布之前，2019年谷歌制造出了拥有53个超导量子比特的计算原型机“悬铃木”，“N”达到53个，而“九章”的“N”达到了76个。

需要注意的是，“九章”采取的是光量子比特，而谷歌采取的是超导量子比特。对此，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员袁岚峰表示，二者分别采用光学与超导作为构建量子计算机的物理体系，“这两个没有孰优孰劣，只是不同的技术路线”。而科普读物《我也能看懂的量子通信》作者，复旦大学理论物理方向研究生“神们自己”则认为，超导需要在超低温(接近绝对零度)下运行，而光子不用，因此基于光量子的量子计算机省掉了巨大的制冷设备和能量消耗，不过“九章”目前是不可编程的，而“悬铃木”则可以编程。在实用价值的角度，可编程当然比不可编程要好很多，所以这一点上，九章暂时还处于追赶状态。

但无论技术路线有何不同，多位科学界人士均认为，中国制造出包含76个量子比特的量子计算机是一个重大的科学成就，这也说明中国在量子计算领域处于国际上的“第一梯队”。潘建伟在接受央视采访时表示，在量子计算领域第一个里程碑的目标就是展示量子计算机的优越性，即：我们总算可以演示某个功能，比传统的超级计算机算得好了，这样我们就可以进一步去寻找各种各样的应用。

需要注意的是，不论是“九章”还是“悬铃木”，目前还只能做到求解特定问题，如“九章”量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍(“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年)。

“目前，量子计算机的演示还是在初级阶段，我们攻关的重点是如何使用纠错容错技术，做出能够真正解决实际问题的专用机，这也是世界的难题。”郭光灿告诉记者。

潘建伟表示，希望能够通过15年到20年的努力研制出通用量子计算机，这样的话就能用它来解决很多非常广泛的问题了，如密码分析、气象预报、药物设计。

中科大官方表示，关于“九章”的相关论文已于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》上，《科学》杂志审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”(a state-of-the-art experiment)，“一个重大成就”(a major achievement)。研究人员希望这个工作能够激发更多的经典算法模拟方面的工作，也预计将来会有提升的空间。量子优越性实验并不是一个一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行性会产生经典计算机无法企及的算力。