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

“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  2023-10-11 19:59:21  记者 屠晨昕

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！

两条技术路线都实现“量子优越性”，世界唯一

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。

光学和超导两条量子计算技术路径，各擅胜场

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。

通用量子计算机，或将天翻地覆般改变我们的生活

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。