这就是中国优势 | 科技优势（十）量子计算：中国弯道超车实现“量子霸权”

【导语】“可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。”这是一种豪情与诗意，也是当今中国正创造的奇迹。中国人对未知的好奇、对探索的渴望、对困境的思考以及对美好未来的期待，推开了一扇扇崭新世界的大门：空间探测、生物医药、人工智能、量子科学……中国科技创新的步伐从未停止。正如习近平总书记所说，一切伟大成就都是持续奋斗的结果，一切伟大事业都需要在继往开来中推进。新时代必将是大有可为的时代。

量子理论从问世以来已孕育出原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位系统等等新技术，成为上世纪最重要的科学发现之一。进入21世纪，量子科技革命的第二次浪潮正扑面而来，在科学界看来，它催生了量子计算、量子通信和量子精密测量等一批新兴技术，将极大地改变和提升人类获取、传输和处理讯息等的方式和能力。

当下，有望给新一代计算机带来革新的“量子计算机”的研究开发正在全球掀起热潮。中国在量子计算领域捷报频传，随着“九章二号”、“祖冲之二号”量子计算机陆续问世，中国成为国际量子科研版图上的重要力量。

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，仅用200秒就能求解算法。（图源：新华社）

量子计算为何如此重要？

早在上世纪80年代，就有科学家提出了将量子效应引入信息处理的构想，量子计算的概念开始出现在世人眼中。经过近四十年的技术和理论发展后，量子计算正逐渐从模糊的构想化为现实。

与传统计算机使用0或者1的比特来存储信息不同，量子计算以量子比特作为信息编码和存储的基本单元。基于量子力学的叠加原理，一个量子比特可以同时处于0和1两种状态的相干叠加，即可以用于表示0和1两个数。因此，量子计算提供了一种从根本上实现并行计算的思路，具备极大超越经典计算机运算能力的潜力。

2017年5月3日，中国科学技术大学陆朝阳教授（中）和学生们在中国科学院量子信息和量子科技创新研究院上海实验室检查光量子计算机的运行情况。（图源：新华社）

对于普通人来说，关于量子的学说都显得高深莫测，但是难懂并不妨碍我们来认识它的重要性。量子计算作为这一场新量子革命中最具有代表性的技术，是未来计算技术的心脏。其优势在于可通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面，获得比经典计算机更强的算力。大规模通用容错量子计算机可以在化学反应计算、材料设计、药物合成、密码破译、大数据分析和机器学习、军事气象等领域产生颠覆性影响。

中国量子计算到底有多领先？

2016年11月26日，在河北兴隆观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验。（图源：新华社）

2020年12月，曾在量子通信领域研发全球首颗量子通信卫星“墨子号”的中国科学技术大学潘建伟研究团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。国际学术期刊《科学》评价，这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。有多重大？答案是：这一突破让中国成为继美国之后全球第二个实现“量子优越性”的国家。

在量子计算机的相关竞争中，“量子优越性”特别受到关注。所谓“量子优越性”，也被称为“量子霸权”，这是一个科学术语，与国际政治无关，是指量子计算机如果在某个问题上的计算能力超过现有的最强的传统计算机，就实现了相对传统计算机的“霸权”。

至于“九章”算力有多强？它可以在200秒时间内完成截至2020年世界排名第一的超级计算机日本“富岳”6亿年才能完成的任务。同时，它也比2019年9月让美国获得首个“量子霸权”的谷歌发布53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。

二维超导量子比特芯片示意图, 每个橘色十字代表一个量子比特。（图源：中国科学技术大学）

2021年5月，中国科学技术大学潘建伟研究团队又成功研制出62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现可编程的二维量子行走。该成果为在超导量子系统上实现“量子优越性”，以及后续研究具有重大实用价值的量子计算奠定了技术基础。

值得骄傲的是，此后不到一年，“九章”和“祖冲之”双双升级。与“九章”相比，“九章二号”极大地提高了量子优势：对于高斯玻色采样问题，“九章”一分钟完成的任务，超级计算机“富岳”需要花费一亿年来解决；“九章二号”一毫秒可以解出的问题，“富岳”需要算30万亿年！最重要的是，“九章二号”还具有了部分可编程的能力。

“祖冲之二号”则通过操控其上的56个量子比特，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性，所完成任务的难度比“悬铃木”高2至3个数量级。这一系列令人瞩目的成果，标志着中国已成为世界上唯一一个在超导和光量子两个“赛道”上达到“量子优越性”里程碑的国家。

通用量子计算机诞生或还需15年

光量子干涉实物图。（图源：中国科学技术大学）

目前的量子计算机还只能用于解决特定的问题，而距离最终研制“可编程的通用量子计算原型机”的发展阶段还有很长一段距离，需要好几道难关。因为量子计算机的计算能力随量子比特数目呈指数增长，所以量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。对量子计算机的研究，根据相干操纵量子比特的规模，国际学术界公认有三个里程碑阶段——

第一个里程碑是实现“量子计算优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。中国分别于2020年在光量子体系、2021年在超导线路体系实现了“量子计算优越性”。

第二个里程碑是实现专用量子模拟机，即相干操纵数百个量子比特，用于解决若干超级计算机无法胜任的实用问题，例如量子化学、新材料设计、优化算法等。达到该阶段需要5至10年，是当前的主要研究任务。

第三个里程碑是实现可编程通用量子计算机，即相干操纵至少数百万个量子比特，能在经典密码破解、大数据搜索、人工智能等方面发挥巨大作用。由于技术上的难度，何时实现通用量子计算机尚不明确，国际学术界一般认为还需要15年甚至更长时间。

由此可见，实现“量子霸权”并不是终点，而是一个起点。目前，中国已完成了所有重要量子计算体系的研究布局，成为包括欧盟、美国在内的三个具有完整布局的国家(地区)之一。未来量子计算机将如何改变世界？且拭目以待。

(资料来源：中国科学院、新华社、观察者网、学习时报、科技日报)