天天观点：我国正处在量子计算机领域的发展前端

2023-03-03 17:05:20 来源：科普中国

(资料图片)

随着《流浪地球2》的热播，量子计算机成为了网络热门话题。那么我国在量子计算机领域出于什么位置呢？目前，我国超导量子计算原型机“祖冲之二号”实现了量子计算优越性。这一成果是我国继光量子计算原型机“九章”后，在超导量子比特体系首次达到“量子计算优越性”的里程碑，标志着我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。| 什么是量子计算机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。我们日常使用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息在硬件电路里都会转换成1和0，每个比特要么代表0，要么代表1，这些比特就是信息，然后再进行传输、运算与存储。正是因为这种0和1的“计算”过程，电脑才被称为“计算机”。而量子计算，则是利用量子天然具备的叠加性，施展并行计算的能力。量子力学允许一个物体同时处于多种状态，0和1同时存在，就意味着很多个任务可以同时完成，因此具有超越计算机的运算能力。每个量子比特，不仅可以表示0或1，还可以表示成0和1分别乘以一个系数再叠加，随着系数的不同，这个叠加的形式可能性会很多很多。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。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，因其对这些特定的问题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。

| 量子计算机的发展阶段量子计算发展有三个阶段：第一是实现量子计算优越性。发展具备50～100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。第二是制成实用量子模拟机。通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，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）。第三是制成通用量子计算机。通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

| 什么是“量子计算优越性”量子计算优越性又称之为“量子霸权”，是指用量子计算机解决经典计算机实际解决不了的问题。这个术语最早由加州理工学院物理教授约翰·普利斯基尔提出。根据现有理论，量子计算系统处理高斯玻色取样的速度将比目前最快的超级计算机快百亿倍。简单来说，在理论上，只要给足够的时间，经典计算机可以解决任何可计算的问题。因此，“量子优越性”的标准是在同一个计算任务上，但是量子计算机比经典计算机有显著的（指数）加速。也就是说，同样处理高斯玻色取样计算，量子计算机用 200 秒就可完成，而用目前最强的超级计算机，要花费 10000 年才能完成。其意义就不言而喻了。

| “九章二号”它是我国光量子计算原型机“九章号”的升级版，其名字的来源是我国著名的数学专著《九章算术》，代表着人们对“计算能力及速度”的超高追求。算力得到巨大提升的九章二号

实际上，最初九章号诞生的时候，大家就觉得已经很令人骄傲了。但是科研团队却认为远远不够，所以他们又对九章号进行了改良升级，最终让性能更高的“九章二号”顺利诞生。 “九章二号”在激光‘受激发辐射放大’概念的启发下，对量子光源进行了改进，使光子的产率较之前提升了三倍，光源关键指标也从63%提升到92%。除此之外，九章二号的多光子量子干涉线路与探测到的光子数都有增加，前者从以前的100维度增加到了144维度和113个光子。在基础性能提高的情况下，九章二号还具备了相位可编程功能，即使是不同参数的数学问题也能顺利求解。当然，最重要的还是它的计算速度。根据科学家的描述，九章二号的处理速度要比超级计算机快亿亿亿倍，这个“倍数”直接将超级计算机远远甩在了身后。

| “祖冲之二号”“祖冲之二号”量子处理器

“祖冲之二号”处理的量子随机线路取样问题的速度比目前最快的超级计算机快7个数量级，计算复杂度比谷歌公开报道的53比特超导量子计算原型机“悬铃木”提高了6个数量级。通过量子编程的方式，研究人员实现了对量子随机线路取样，演示了“祖冲之二号”可用于执行任意量子算法的编程能力。量子计算优越性的成功演示标志着量子计算研究进入到发展的第二阶段，开始量子纠错和近期应用的探索。 “祖冲之二号”的并行高保真度量子门操控能力和完全可编程能力，有望在特定领域找到有实用价值的应用，预期应用包括量子机器学习、量子化学、量子近似优化等。目前研究团队已在进行更复杂的实验，以期不断刷新纪录，五年之后，希望可以验证“有纠错保护的量子比特”，最终走向通用容错的量子计算。

| 量子计算机的应用量子计算机能不能处理有实用价值的问题？答案是：能。例如因数分解，量子计算机就是有快速算法的。量子计算机能快速进行因数分解，就意味着能快速破解密码。问题只是在于，现有的量子计算机只能分解很小的数，还不足以破解实用的密码。所以在实现量子优越性之后，下一个重要的目标就是针对一个有实用价值的问题，造出超越经典计算机的量子计算机。从军用的角度来看，量子计算机可以用来截取敌方关键信息、情报分析、开发更为先进的武器系统。再者，量子计算机可以对收集到的海量情报信息进行分析，促使指挥者们能够更好地感知战场态势。与此同时，再将无人机与量子计算机结合起来，就能促使无人机蜂群战术的攻击力更上一个层次。从民用的角度来看，量子计算机将会在通讯、金融、医疗、能源等方面产生积极作用。毕竟未来的高信息化，现在的计算体系恐怕难以支撑，而量子通信已经得以论证。再者，像医疗器械和制药，都是需要进行精密计算求解的，而使用量子计算机后，高速运算不仅更准确，用时也更短，而这样也能有效助推研究一些疑难杂症的治疗方法。也许将来，我们能够用光学实现真正强大的量子计算机，也就是可编程的、能处理很多有实用价值问题的量子计算机。

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关键词：量子计算机超级计算机实用价值