前沿科技丨中国首次实现量子优越性，比最强超级计算机快一百万亿倍
发表时间：2020-12-11
最近，不断收到一些令人振奋的好消息，比如刷屏的重磅消息——“九章”的问世。
2020年12月，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。
这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”）。相关论文于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》。
“九章”牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。
“九章”真有那么厉害？
关于“九章”的重要知识点，中国科学技术大学袁岚峰老师为我们进行了简单的归纳，其中包括：
◆ 量子力学是物理学的一个基础理论。跟它相对的牛顿力学，被称为经典力学。对微观世界的正确描述一定要用量子力学，如果用经典力学就会犯错。
量子信息学科内容
◆ 量子计算机是用量子力学原理制造的计算机，目前还处于很初步的阶段。相应的，现有的我们在用的计算机被称为经典计算机。
◆ 量子计算机有希望远远超过经典计算机，就像这里说的，超过一百万亿倍之类。
◆ 量子计算机并不是对所有的问题都超过经典计算机，而是只对某些特定的问题超过经典计算机，因为对这些特定的问题能设计出高效的量子算法。对于没有量子算法的问题，例如最简单的加减乘除，量子计算机就没有任何优势。
◆ 九章处理的问题，叫做“高斯玻色取样”。大致可以理解为，一个光路有很多个出口，问每一个出口有多少光出去。
2019年潘建伟和陆朝阳等人关于用玻色子取样寻求实现量子霸权的文章
◆ 量子计算机在某个问题上超越现有的最强的经典计算机，被称为“量子优越性”或“量子霸权”。九章的成果，就是实现了量子优越性。
◆ 2019年，谷歌第一个宣布实现了量子优越性。他们用的量子计算机叫做“悬铃木”，处理的问题大致可以理解为：判断一个量子随机数发生器是不是真的随机。
◆ 九章跟悬铃木的区别，一是处理的问题不同，二是用来造量子计算机的物理体系不同。九章用的是光学，悬铃木用的是超导。这两个没有孰优孰劣，只是不同的技术路线。
◆ 请注意措辞，九章的成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的“第一方阵”地位。这是因为有悬铃木在前，九章毕竟是第二个，所以只是说中国跟美国相差不远。而在量子通信方面，我们就不说什么“第一方阵”了。因为那里没有方阵，中国明确是世界最先进的！
此外，量子计算机的快速运算还有平常却广泛的运用 。例如，送货车如何选择最有效率的路线送货，可以借助量子计算机的帮助。这也绝非“大材小用”。
中国物理学家研制出的“九章”，不但体现了真正的“量子计算优势”，而且还是一台具有潜在应用价值的量子计算装置。
这个阶段的量子计算，可能就像1814年的火车，和1903年的飞机一样，科学意义大于实用价值。
量子计算实用还有多远？
第二阶段， 研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机 ，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。
第三阶段， 研制可编程的通用量子计算原型机。
2020年12月，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。
根据现有理论，该量子计算系统处理“高斯玻色取样”这一特定问题的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。等效地，其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。
这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外也称之为“量子霸权”）。相关论文于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》。
“九章”牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。
“九章”真有那么厉害？
关于“九章”的重要知识点，中国科学技术大学袁岚峰老师为我们进行了简单的归纳，其中包括：
◆ 量子力学是物理学的一个基础理论。跟它相对的牛顿力学，被称为经典力学。对微观世界的正确描述一定要用量子力学，如果用经典力学就会犯错。
量子信息学科内容
◆ 量子计算机是用量子力学原理制造的计算机，目前还处于很初步的阶段。相应的，现有的我们在用的计算机被称为经典计算机。
◆ 量子计算机有希望远远超过经典计算机，就像这里说的，超过一百万亿倍之类。
◆ 量子计算机并不是对所有的问题都超过经典计算机，而是只对某些特定的问题超过经典计算机，因为对这些特定的问题能设计出高效的量子算法。对于没有量子算法的问题，例如最简单的加减乘除，量子计算机就没有任何优势。
◆ 九章处理的问题，叫做“高斯玻色取样”。大致可以理解为，一个光路有很多个出口，问每一个出口有多少光出去。
2019年潘建伟和陆朝阳等人关于用玻色子取样寻求实现量子霸权的文章
◆ 量子计算机在某个问题上超越现有的最强的经典计算机，被称为“量子优越性”或“量子霸权”。九章的成果，就是实现了量子优越性。
◆ 2019年，谷歌第一个宣布实现了量子优越性。他们用的量子计算机叫做“悬铃木”，处理的问题大致可以理解为：判断一个量子随机数发生器是不是真的随机。
◆ 九章跟悬铃木的区别，一是处理的问题不同，二是用来造量子计算机的物理体系不同。九章用的是光学，悬铃木用的是超导。这两个没有孰优孰劣，只是不同的技术路线。
◆ 请注意措辞，九章的成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的“第一方阵”地位。这是因为有悬铃木在前，九章毕竟是第二个，所以只是说中国跟美国相差不远。而在量子通信方面，我们就不说什么“第一方阵”了。因为那里没有方阵，中国明确是世界最先进的！
为何“九章”如此重要？
“九章”的问世是我国在量子科技领域实现的又一飞跃，它的意义是多方面的。
此外，量子计算机的快速运算还有平常却广泛的运用 。例如，送货车如何选择最有效率的路线送货，可以借助量子计算机的帮助。这也绝非“大材小用”。
中国物理学家研制出的“九章”，不但体现了真正的“量子计算优势”，而且还是一台具有潜在应用价值的量子计算装置。
这个阶段的量子计算，可能就像1814年的火车，和1903年的飞机一样，科学意义大于实用价值。
量子计算实用还有多远？
对于量子计算机的研究，本领域内的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：
第二阶段， 研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机 ，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。
第三阶段， 研制可编程的通用量子计算原型机。
经典计算机从专用机发展到通用机，走过了几十年历程，现在的量子计算机就还处在最早期的专用机时代。就算是最快的“九章”，也只跨越了第一阶段。但不可否认，“九章”的问世是一个巨大的鼓舞，未来可期。
不管量子计算机现在有多么初级，总有一天，它会像曾经的火车和飞机一样，一步一步向我们走来。
