科学杂志公布中国计算机

量子计算机九章：6亿年计算，它只需200秒，超谷歌100亿倍

“九章”的超高算力主要依靠的是其量子叠加态和量子并行运算。以两个比特的系统为例，传统计算机一次只能表示00/01/10/11中的一个，需要四次才可将其全部表示出来；而量子叠加态只需要一次，就可以完成传统计算机的工作。因此量子计算机的算力得到了巨大的提升。以 “九章”为例，它由七十六个光子控制，其算力在2的76次幂级别，因此其计算能力遥遥领先传统计算机。

量子并行运算与传统并行运算不同。以穿越迷宫为例，在上万条路中只有一条通向出口。传统计算机像是一只蚂蚁，先选择一条路一直走到死胡同再换一条，如此往复直至找到出口；而量子计算机像是一群蚂蚁，它们分工明确，可以一次性包揽所有的路，从而快速找到出口。

近年来，中国在量子技术领域取得了一系列重大进展。2020年12月4日，《科学》杂志公布的中国“九章”计算机重大突破，让世界瞩目。这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子的量子计算原型机“九章”，在谷歌“悬铃木”计算机之后，再次成功实现了“量子计算优越性”的里程碑式突破。

中国科学技术大学潘建伟院士团队近日成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机 “祖冲之号”，宣告全球最大量子比特数的超导量子体系的诞生。

量子计算机原型机发布后，我国首个可操纵的超导量子计算机体系“祖冲之号”问世。该成果将为促进中国在超导量子系统上实现量子优越性奠定了技术基础，也为后续具有重大实用价值的通用量子计算的研发提供支持。中国科学技术大学潘建伟院士团队近日成功研制出全球超导量子比特数量最多的量子计算原型机 “祖冲之号”，宣告全球最大量子比特数的超导量子体系的诞生。这篇名为《在可编程二维62比特量子处理器上的量子行走》的论文5月7日发表在《科学》杂志。

量子计算机是全球科技前沿的重大挑战之一，也是世界各国角逐的焦点。超导量子计算已成为最具希望的候选者之一，它的核心目标是增加 “可操纵” 的量子比特数量，通过提升操纵精度来实现落地应用。祖冲之号” 可操纵的超导量子比特多达62个，而此前谷歌实现 “量子优越” 的“悬铃木”53个量子比特。研究团队在大尺度晶格上首次实现了量子行走的实验观测，并实现对量子行走构型的精准调控，构建了可编程的双粒子量子行走。

《计算机科学》由国家科技部主管，国家科技部西南信息中心主办，系“中文科技核心期刊”、“中国科技论文统计与分析用期刊”、“中国科学引文数据库来源期刊”、“中国期刊方阵双效期刊”、“中国计算机学会会刊”、“重庆市优秀期刊”。《计算机科学》杂志于1974年1月经中华人民共和国新闻出版署批准为公开发行期刊，原刊名为《计算机应用与应用数学》，1979年1月更名为《计算机科学》。主要报导国内外计算机科学与技术的发展动态，涉及面广的方法论与技术，和反映新苗头、能起承先启后作用的研究成果。《计算机科学》历年总被引频次和影响因子两项指标均列全国（计算技术类）前列，是国内颇具影响力的计算机学术刊物。杂志报导特点是“前沿学科”与“基础研究”相结合；“核心核术”与“支撑技术”相结合；“倡导”与“争鸣”相结合。广采百家之长，博览计算机世界之态势。《计算机科学》以其新颖、准确、及时为特色，突出动态性、综述性、学术性，深受高校教师学生好评。

新华社合肥12月4日电题：里程碑式突破！——潘建伟团队解说“九章”量子计算机 在一个特定赛道上，200秒的“量子算力”，相当于目前“最强超算”6亿年的计算能力！12月4日，《科学》杂志公布了中国“九章”的重大突破。 这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子的量子计算原型机，推动全球量子计算的前沿研究达到一个新高度。尽管距离实际应用仍有漫漫长路，但成功实现了“量子计算优越性”的里程碑式突破。 （小标题）算力新高度 技术三优势 “量子优越性”——横亘在量子计算研究之路上的第一道难关。 这是一个科学术语：作为新生事物的量子计算机，一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明了量子计算机的优越性，跨过了未来多方面超越传统计算机的门槛。 去年9月，美国谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学问题的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要2天，因此他们在全球首次实现了“量子优越性”。 近期，中科大潘建伟团队与中科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，成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。 “取名‘九章’，是为了纪念中国古代著名数学专著《九章算术》。”潘建伟说。 实验显示，“九章”对经典数学算法高斯玻色取样的计算速度，比目前世界最快的超算“富岳”快一百万亿倍，从而在全球第二个实现了“量子优越性”。 高斯玻色取样是一个计算概率分布的算法，可用于编码和求解多种问题。当求解5000万个样本的高斯玻色取样问题时，“九章”需200秒，而目前世界上最快的超级计算机“富岳”需6亿年；当求解100亿个样本时，“九章”需10小时，“富岳”需1200亿年。 潘建伟团队表示，相比“悬铃木”，“九章”有三大优势：一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题，但与最快的超算等效比较，“九章”比“悬铃木”快100亿倍。二是环境适应性。“悬铃木”需要零下273.12摄氏度的运行环境，而“九章”除了探测部分需要零下269.12摄氏度的环境外，其他部分可以在室温下运行。三是弥补了技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超算，“九章”在小样本和大样本上均快于超算。 “打个比方，就是谷歌的机器短跑可以跑赢超算，长跑跑不赢；我们的机器短跑和长跑都能跑赢。”他们说。 （小标题）20年努力攻克三大技术难关 对于“九章”的突破，《科学》杂志审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。 多位国际知名专家也给予高度评价。“这是量子领域的重大突破，朝着研制比传统计算机更有优势的量子设备迈出一大步！我相信成果背后付出了巨大的努力。”德国马克斯·普朗克研究所所长伊格纳西奥·西拉克说。 美国麻省理工学院教授德克·英格伦认为，这是“一项了不起的成就”“一个划时代的成果”。 加拿大卡尔加里大学量子研究所所长巴里·桑德斯说，毫无疑问，这个实验结果远远超出了传统机器的模拟能力。 据了解，潘建伟团队这次突破历经了20年努力，从2001年开始组建实验室，他们曾多次刷新量子纠缠数量的世界纪录。“九章”的突破，主要攻克了三大技术难关：高品质量子光源、高精度锁相技术、规模化干涉技术。 其中的高品质量子光源，是目前国际上唯一同时具备高效率、高全同性、高亮度和大规模扩展能力的量子光源。“比如说，我们每次喝下一口水很容易，但要每次喝下一个水分子非常困难。”中科大教授陆朝阳说，高品质光源要保证每次只“放出”1个光子，且每个光子要一模一样，这是巨大挑战。同时，锁相精度要控制在10的负9次方以内，相当于传输一百公里距离，偏差不能超过一根头发丝的直径。 此外，为了核验“九章”算得“准不准”，他们用超算同步验证。“10个、20个光子的时候，结果都能对得上，到40个光子的时候超算就比较吃力了，而‘九章’一直算到了76个光子。”陆朝阳说，另一方面，超算的耗电量太大，计算40个光子时需要电费200万元，41个光子需要400万元，42个光子需要800万元，推算下去将是天文数字。 （小标题）“算力革命”跃马人类未来 当前，量子计算已成为全球各国竞相角逐的焦点。比如近期，欧盟宣布拟投资80亿欧元，研究量子计算等新一代算力技术。 “量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在密码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域，提供比传统计算机更强的算力支持。”潘建伟说。 据了解，国际主流观点认为，量子计算机的发展将有三个阶段： 第一阶段，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子优越性”里程碑式突破。 第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题，比如量子化学、新材料设计、优化算法等。 第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算原型机。 目前，“九章”还处在第一阶段，但在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。 潘建伟团队表示，“量子优越性”实验并非一蹴而就的工作，而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子计算机会产生传统计算机无法企及的算力。下一步，他们将在光子、超导、冷原子等多条技术线路上推进研究。