澎湃新闻采访人员 廖艳 林珏瑶 朱雷
“祖冲之号”是由中国科学院院士、中国科学技术大学教授潘建伟的团队开发的二维可编程超导量子处理器 。 6月28日 ， 潘建伟团队在arXiv平台上发表论文称 ， 它可以在1.2小时内完成的采样任务 ， 最强大的超级计算机至少需要8年时间 。
“我们使用随机量子电路采样作为衡量量子处理器整体能力的指标 。 ”潘建伟团队表示 ， 实验结果表明 ， 该处理器能够仅用56个量子比特、20个周期 ， 就完成相关采样任务 。 该实验明确建立了一个计算任务 ， 量子计算机可以在1.2小时内完成 ， 但对于任何超级计算机来说 ， 都需要一个（长到）不合理的时间(but will take at least an unreasonable time for any supercomputers) 。
这意味着他们又一次实现了“量子计算优越性” 。 此前在2020年12月4日 ， 潘建伟团队构筑了光量子计算模型“九章” ， 那是我国首次实现量子计算优越性 。
“祖冲之号”计算速度为何如此之快？它可以运用在哪些方面？澎湃新闻检索发现 ， 作为量子计算机 ， “祖冲之号”计算速度之快与量子的相干叠加原理有关 。 未来可应用于人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等领域 。
潘建伟 澎湃新闻采访人员 朱伟辉 资料图
什么是量子计算机？
当前 ， 量子计算机研制作为世界科技前沿的重大挑战之一 ， 已经成为欧美各发达国家竞相角逐的焦点 。
什么是量子计算机？澎湃新闻以“量子计算机”、“量子比特”等关键词在中国知网查询相关文献获悉 ， 当某个物理装置运算、存储和处理的是量子信息 ， 运行的是量子算法时 ， 它就是量子计算机 。
量子计算机是国际研究热点 ， 世界各国的科学家们为之设计了多种技术实现路径 。 现在进展最快的有 3 类量子计算机：光量子计算机、超冷原子量子计算机、超导量子计算机 。 我国科学家2017 年 5 月 3 日发布的量子计算机成果有两个 ， 分别属于光量子计算机和超导量子计算机范畴 。
量子计算机的计算速度为何远高于传统计算机？这和它的计算原理有关 。 据《经济日报》此前报道 ， 量子计算机利用量子的相干叠加原理 ， 可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态 ， 即1个量子比特（量子信息的计量单位）可以同时存储0和1 。
与之相比 ， 电子计算机1个物理比特只能存储1个逻辑态——或者0 ， 或者1 。 这意味着量子计算机的处理能力将随着比特数的增加而呈指数级上升 。
前述报道进一步解释 ， 量子计算机有N个比特 ， 就可以一次对2的N次方个数进行数学运算 ， 相当于经典计算机算上2的N次方次 。 量子计算计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长 ， 这可以为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案 。
模型示意图：“祖冲之号”超导量子处理器
公开报道显示 ， “祖冲之号”于今年5月研制成功 。 “祖冲之号”采用了超导量子计算 ， 它是由66个功能量子比特组成的可调谐耦合结构 ， 这比之前的原型机增加了4个量子比特 。
超导量子计算 ， 作为最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一 ， 其核心目标是如何同步地增加所集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能 ， 从而能够高精度相干操控更多的量子比特 ， 实现对特定问题处理速度上的指数加速 ， 并最终应用于实际问题中 。
总而言之就是“快” 。
量子计算到底有什么用？
潘建伟曾在《更好推进我国量子科技发展》一文中指出 ， 量子计算具有强大的并行计算和模拟能力 ， 可为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案 。
量子计算机的计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长 ， 一台操纵50个粒子的量子计算机 ， 对特定问题的计算能力就可超过目前最快的超级计算机 。 量子计算机一旦研制成功 ， 将对基于计算复杂度的经典信息安全体系带来巨大冲击；量子保密通信的安全性基于物理学原理 ， 与计算复杂度无关 ， 即使是量子计算机也无法破解 。
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 。 中国科学技术大学 图
潘建伟称 ， 量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵 。 根据相干操纵量子比特的规模 ， 量子计算有如下发展阶段：
第一个阶段是实现“量子优越性” ， 即量子计算机对特定问题的计算能力超越传统超级计算机 ， 达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵 。 美国谷歌公司已在2019年率先实现“量子优越性” 。
第二个阶段是实现专用量子模拟机 ， 即相干操纵数百个量子比特 ， 应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题 ， 指导材料设计、药物开发等 。 达到该阶段需要5至10年 ， 是当前的主要研究任务 。
第三个阶段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 。 由于量子比特不可避免地会受到环境噪声的影响而出错 ， 对于规模化的量子比特系统 ， 通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求 ， 也是一段时期内面临的主要挑战 。 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20年左右甚至更长时间 。
目前 ， 国际上正在对各种有望实现可扩展量子计算的物理体系开展系统性研究 。 我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 。
2017年 ， 潘建伟在中国国际徽商大会、徽商论坛上演讲提出 ， 希望能够通过10年左右的努力 ， 一方面能够为构建完整的量子通讯网络准备技术基础 ， 同时在国防、政务、金融领域得到应用 ， 让网络能够实现无缝对接 ， 建立国家信息安全的生态系统 。 在量子计算方面 ， 包括我国的研究团队在内 ， 希望能够通过10年左右的努力 ， 实现一百个或者几百个量子的相当操纵 ， 就能够达到目前最快、超级计算机的百亿倍 ， 能够大规模地提高计算水平 。
本期编辑 邹姗
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