中国：“量子计算优越性”国家!

潘莹莹

(清华大学附属中学永丰学校)

2021年10月底，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.

其中“祖冲之二号”实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解，在求解该问题上比现有最快的超级计算机快出一千万倍.“九章二号”在处理玻色子取样问题上，速度比超级计算机更是快出了亿亿亿倍，同时还拥有了更强的硬件编程能力.对于“祖冲之二号”而言，量子优越性的实现标志着量子计算踏入了发展的第二阶段，相关架构为实现通用量子计算奠定了基础.

“九章二号”的“亿亿亿倍”更是刷新了国际上光量子操纵的技术水平.著名量子物理学家、加拿大Calgary大学教授BarrySanders受邀在Physics网站上撰写长篇评述文章，称赞该工作是“令人激动的实验杰作”，“令人印象深刻的最前沿的进步”.

那么，什么是量子计算机? 为什么量子计算机可以“超快”? 量子计算优越性又是什么? 我们今天就一一解读!

图1 祖冲之二号

1 什么是量子计算机?

首先，我们从最基本的量子是什么说起.“量子”不是指具体的某一种粒子，而是量子世界中物质客体的总称，可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是宏观尺度下的量子系统，比如“薛定谔的猫”.在我们的日常经验中，宏观世界物体的物理量和状态在某个时刻总是确定的.比如，一个灯泡要么是开的，要么是关的，不可能是既开着又关着的.但在量子世界里，“既开着又关着的灯泡”是存在的，因为量子具有叠加态.量子叠加是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上，简言之，就是两种状态叠加在一起.

“薛定谔的猫”就是解释量子叠加的一个思想实验:把猫关在一个不透明的箱子里，箱子里有一个装置，可以释放出毒气.如果不打开箱子去观察(测量)，猫就陷于一种死或者活的叠加状态.

图3 薛定谔的猫

除了叠加态，量子还有另一个重要的特性——量子纠缠.量子纠缠是指，即使相距遥远距离，一个粒子的行为也会影响另一个粒子的状态.当其中一个粒子被操作而状态发生变化，另一个粒子也会即刻发生相应的状态变化.

量子计算机则以量子力学系统所描述的状态作为计算形式.目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统，不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子或者微观系统.比如“祖冲之号”使用的是超导约瑟夫森结系统，而“九章号”使用的是光量子系统.

2 为什么量子计算机可以“超快”?

我们先来简单地了解一下量子计算机处理数据的逻辑.为了更好地形容量子计算机的处理速度，科学家将量子计算机的基本单位命名为昆比特，而量子计算机的主要实现者也就在于昆比特.昆比特是量子计算机最基本的信息单元，不同于电子计算机只能是0或1，量子比特可以同时是0和1，所以其计算性能更强大，而且增加量子比特数可使量子计算机的性能呈指数级提升.

3 量子计算优越性是什么?

简单来说，只要在某些特定的问题上，采用无须纠错的专用量子计算机(也称量子模拟机)，计算(模拟)该问题的能力超越了任何经典计算机，就叫作“量子计算优越性”.

目前，世界上的量子计算机研究大多是针对某个特定的问题.例如“九章号”就是专门用以解决玻色子采样问题，这是用来测试量子计算优越性的热门问题.

量子计算机最主要的优势，是能够用物理系统上根本的并行能力，可以同时对大量数据进行处理.“祖冲之二号”与“九章二号”在不同体系都实现了“量子计算优越性”，在量子计算领域迈出了重要的一步.

据介绍，量子计算优越性的成功演示标志着量子计算研究进入发展的第二阶段，开始量子纠错和近期应用的探索.目前量子计算的发展还处于非常早期的阶段，很难预测应用前景到底有多广阔，但是现在来看，它可以提高我们的计算能力，对很多科研领域都很有帮助，比如药物设计、分子模拟、密码破译等.

(完)