中國量子計算機取得重要進展，成世界唯一，比超級計算機快千萬倍

量子在人們的心裡是很神奇的東西，所謂遇事不決，量子力學。而量子計算機更是很多科幻小說裡常見的未來科技之一。自從1981年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出了量子計算機構想後，世界各國都在研究相關的技術，量子計算機已經被認爲可能是下一代信息革命的關鍵技術。

近日，中科院量子信息與量子科技創新研究院科研團隊在超導量子和光量子兩種系統的量子計算方面取得重要進展，使我國成爲目前世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。

2019年10月，谷歌54量子位的Sycamore處理器成爲全球第一顆實現“量子優勢”（或稱“量子霸權”）的處理器。在量子計算機上對一個53位、20 個週期的電路進行採樣需要200秒，而谷歌聲稱使用當時世界上最強大的經典超級計算機需要10,000年，當然後來被IBM經典計算機團隊出來瘋錘，說只需要2.5天。

谷歌這一處理器的出現，讓人們再度將目光放到了量子計算機上。在2020年12月，由潘建偉和陸朝陽領銜的中國量子計算技術團隊成功構建76個光子的量子計算原型機—九章，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒。這一突破使我國成爲全球第二個實現“量子霸權”的國家。

構建量子計算機的物理系統包括光子、量子點、離子阱、超導體、冷原子、鑽石色心、核磁共振等。而當今主流的三大技術體系是“超導量子”、“光量子”和“離子阱”。“九章”屬於“光量子”物理系統，與超導相比，光子雖然可以在室內低溫下運行，也具有“相干時間長”的優勢，但“靈活精準操控”仍然是一個難點。

所以我國的超導量子計算研究團隊經過研究攻關，構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，走上了超導技術路線。實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解，比目前最快的超級計算機快一千萬倍，計算複雜度比谷歌的超導量子計算原型機“懸鈴木”高一百萬倍。英國物理學家、量子光學教授、倫敦帝國理工學院高級研究員彼得·奈特稱讚這是一個令人印象深刻的進步。

與此同時，光量子計算研究團隊也在這兩年取得了很大的進步，構建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”。至此，我國的量子計算機研究在光量子和超導兩個主流體系中都達到了“量子計算優越性”的里程碑。

而第三種“離子阱”路線雖然具有高量子比特質量和長相干時間特點，出現時間也比超導體系早，但是研究這一路線的機構卻比較少。IonQ 於 2020 年 10 月發佈了新一代離子阱量子計算機，新系統有32個量子位。

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。主要包含三個部位：量子測控系統、量子低溫系統和量子芯片。與普通計算機比特只能存儲“0或1”不同，量子比特既可以存儲0也可以存儲1，所以量子計算機存儲的數據夠多。而隨着量子比特數的增加，量子計算機的處理能力將呈指數級增長。

相對於傳統的計算機，量子計算機可以更高效地解決某些數學問題。比如要破解現在常用的RSA密碼系統，就算是用最大、最好的計算機也需要花費60萬年，而一個擁有相當存儲功能的量子計算機只需要不到幾個小時的時間，所以在量子計算機的面前，現如今的加密算法將變的十分的脆弱。

我國的量子計算水平無疑是世界一流的，但不意味着量子計算機馬上就要出現了，目前仍然有不少問題需要解決。不過量子計算的每一步成功都值得慶祝，在未來，通用型量子計算機可望在密碼破譯、天氣預報、材料設計、藥物分析、交通調度等領域發揮重要作用。也希望我國在量子計算機領域能夠一直獨領風騷。