揭開“九章”量子計算原型機神秘面紗 邁向量子優(yōu)越性新里程碑。2020年，中國成功研制出量子計算原型機“九章”，成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。2021年，“九章二號”和“祖沖之二號”相繼問世，使中國成為唯一在光學和超導兩條技術路線都實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。2023年，“九章三號”量子計算原型機比超級計算機快一億億倍，確立了新的算力里程碑。

量子計算是一種遵循量子力學規(guī)律，調控量子信息單元進行計算的新型模式。1981年，諾貝爾獎獲得者理查德·費曼提出了量子計算機構想。這種計算模式在原理上具有超快的并行計算能力，有望通過特定算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題上實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。

2020年12月4日，中國科學技術大學潘建偉團隊與中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功構建76個光子的“九章”量子計算原型機?！熬耪隆睂浀鋽?shù)學算法高斯玻色取樣的計算速度比當時世界最快的超級計算機“富岳”快一百萬億倍。這一突破使中國成為全球第二個實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。“九章”得名于中國古代著名數(shù)學專著《九章算術》。

2021年，研究團隊進一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計算原型機。2023年10月11日，他們宣布成功構建255個光子的量子計算原型機“九章三號”，求解高斯玻色取樣數(shù)學問題比目前全球最快的超級計算機快一億億倍。

“九章”系列實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”，即當新生的量子計算原型機在某個問題上的計算能力超過了最強的經典計算機，就證明其未來有多方超越的可能。此前，美國谷歌團隊宣布研制出53個量子比特的計算機“懸鈴木”，在全球首次實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。相比“懸鈴木”，“九章”有三大優(yōu)勢：一是速度更快；二是環(huán)境適應性更強；三是彌補了技術漏洞。

對于量子計算機的研究，國際主流觀點認為有三個指標性的發(fā)展階段。第一階段是研制50到100個量子比特的專用量子計算機，實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”里程碑式突破。第二階段是研制可操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，解決一些超級計算機無法勝任、具有重大實用價值的問題。第三階段是大幅提高量子比特的操縱精度、集成數(shù)量和容錯能力，研制可編程的通用量子計算原型機。

根據(jù)公開發(fā)表的最優(yōu)算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣數(shù)學問題的速度比“九章二號”提升一百萬倍。“九章三號”1微秒可算出的最復雜樣本，當前最快的超級計算機“前沿”約需200億年。中國科學技術大學教授陸朝陽表示，量子計算的運算邏輯和傳統(tǒng)電子計算機不同，傳統(tǒng)計算機基于二進制進行邏輯運算，而量子計算機采用量子比特，利用量子力學特性實現(xiàn)并行運算。

量子計算的另一個特性是隨著可操縱的量子數(shù)量增多，運算能力呈指數(shù)級增長。“九章二號”可操縱113個光子，“九章三號”可操縱255個光子，但運算能力的提升并不是線性的，而是達到了100萬倍。

量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，有望通過特定算法在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、天氣預報、材料設計、藥物分析等領域提供比傳統(tǒng)計算機更強的算力支持。但要實現(xiàn)具有實用性的通用量子計算機，還有很長的路要走。近年來，中外科學家持續(xù)攻關量子計算研究，不斷取得重大突破。“九章三號”在理論上首次開發(fā)了包含光子全同性的新理論模型，實現(xiàn)更精確的理論與實驗吻合度，同時發(fā)展了完備的貝葉斯驗證和關聯(lián)函數(shù)驗證。即便如此，“九章三號”距離通用量子計算機還很遠。潘建偉團隊期待“九章三號”的突破能激發(fā)科學界更多關于經典算法模擬的研究，解決各種科學和工程挑戰(zhàn)，加快實現(xiàn)通用型量子計算機。