導  讀

    中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊，與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。這一突破使我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑——量子計算優(yōu)越性。

    今天，我國在量子計算領域實現(xiàn)了里程碑式的突破！

    北京時間12月4日，國際頂尖雜志《Science》刊發(fā)了我國在量子計算領域的一項重磅研究成果——中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊，與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。這一突破使我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑——量子計算優(yōu)越性（Quantum Supremacy，國外也稱之為“量子霸權”）。

    20年砥礪，實現(xiàn)200秒突破

    “量子霸權”一詞是美國加州理工學院物理學家約翰·普瑞斯基爾提出的，它代表了大多數(shù)量子學家們的看法：當可以精確操縱的量子比特超過一定數(shù)目時，量子計算機在特定任務上的計算能力就能遠超經典計算機。

    去年9月，英國權威雜志《自然》刊出了谷歌量子AI團隊的最新科研工作成果——該團隊基于一個包含53個可用量子比特的可編程超導量子處理器，運行隨機量子線路進行采樣，耗時約200秒可進行100萬次采樣，并且估計如果使用當時最強超算Summit來計算得到同樣的結果，需耗費約1萬年。據(jù)此，谷歌宣稱實現(xiàn)了“量子霸權”。

    然而，谷歌的“稱霸”卻頗具爭議，IBM指出谷歌對隨機量子線路的經典模擬優(yōu)化得并不好，如果采用內存和硬盤混合存儲方案，模擬53比特、20深度的量子隨機線路采樣，僅需2．5天。對此，加拿大卡爾加里大學教授、量子科學和技術研究所所長Barry Sanders 也曾提出，谷歌的該項成果是有爭議的。

    但是，對于“九章”而言，Barry Sanders卻毫不吝嗇贊美之詞：“我認為這是量子計算領域最重要的成果之一。這個實驗不存在爭論，毫無疑問，該實驗取得的結果遠遠超出了傳統(tǒng)機器的模擬能力，實驗取得的結果遠遠超出了傳統(tǒng)機器的模擬能力。這個實驗技術挑戰(zhàn)非常巨大。為了獲得此結果，他們必須解決許多非常困難的技術問題。僅僅在技術層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實驗，他們做成了，讓夢想走進現(xiàn)實?！?/p>

    具體而言，當求解 5000 萬個樣本的高斯玻色取樣時，“九章”需 200 秒，而目前世界最快的超級計算機“富岳”需6億年。等效比較，“九章”比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計算原型機 “懸鈴木”快一百億倍，同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

    正如Barry Sanders所言，為了獲得此項成果，潘建偉團隊解決了許多非常困難的技術問題，歷經20年，主要攻克高品質光子源、高精度鎖相、規(guī)?；缮嫒蠹夹g難題。潘建偉在接受采訪時表示：“我們實驗中要用到的一些關鍵器件，國外一直對我們進行禁運，但是我們靠自己、靠國內協(xié)作單位，做出了世界上最好的量子光源。畢竟，科學是為服務全人類的?！?/p>

    量子計算本身是一門深奧、復雜的學科，其應用落地對產業(yè)而言也是突破性的提升。量子計算機超快的并行計算能力，在密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設計、藥物分析等場景中，相比經典計算機可實現(xiàn)指數(shù)級別的提速。

    搶占量子技術先機，擺脫卡脖子

    國際層面，美國近期公布了量子計算領域的最新計劃，歐盟、英國、日本等國家也早已開始布局，足可見得量子技術的重要性。

    實際上，我國在量子計算領域早有建樹。在光量子信息處理方面，潘建偉團隊早在2017 年就構建出了世界首臺超越早期經典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機；2019 年，該團隊還研制出了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現(xiàn)了 20 光子輸入 60 模式干涉線路的玻色取樣，輸出復雜度相當于 48 個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，效果逼近 “量子計算優(yōu)越性”。

    國家層面，今年10月，中共中央政治局就“量子科技研究和應用前景”舉行了第二十四次集體學習，習近平總書記在集體學習中強調，要充分認識推動量子科技發(fā)展的重要性和緊迫性，加強量子科技發(fā)展戰(zhàn)略謀劃和系統(tǒng)布局，把握大趨勢，下好先手棋。至此，量子科技正式上升為國家戰(zhàn)略，成為我國搶占未來世界科技制高點的重要武器。

    隨后，在11月公布的《中共中央關于制定國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》中，明確了人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學、生物育種、空天科技、深地深海等八個科技前沿領域，并明確要實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目。

    除量子計算外，面向整個量子科技的紅利市場，中國也已經開始行動。

    1、量子通信

    量子通信是指利用量子疊加態(tài)或量子糾纏效應等進行信息或密鑰傳輸，基于量子力學原理保證傳輸安全性，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩類。

    2016年8月升空的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星和2017年9月開通的量子通信“京滬干線”，使我國成為世界量子通信應用的領先者。兩者結合，中國成功與奧地利實現(xiàn)了世界首次洲際量子保密通信，也標志著中國已構建出天地一體化的廣域量子通信網絡雛形。

    2、量子測量

    量子測量基于微觀粒子系統(tǒng)及其量子態(tài)的精密測量，完成被測系統(tǒng)物理量的執(zhí)行變換和信息輸出，在測量精度、靈敏度和穩(wěn)定性等方面比傳統(tǒng)測量技術有明顯優(yōu)勢。

    目前國內量子測量產業(yè)企業(yè)要屬以量子精密測量為核心技術的國儀量子（合肥）技術有限公司，該公司技術源于中科院院士杜江峰領導的中科大中科院微觀磁共振重點實驗室。其開發(fā)的脈沖式電子順磁共振波譜儀、鉆石單自旋量子精密測量譜儀等產品已在科學研究和醫(yī)學研究領域進行銷售，在能源探測設備研制和電力電網領域進行了合作，其中鉆石單自旋量子精密測量儀已有數(shù)千萬元的訂單。

    寫在最后

    量子領域已逐漸成為各個科技強國的未來戰(zhàn)場，如今，繼量子通信領域實現(xiàn)國際領先后，我國在量子計算領域再次迎來里程碑式的突破，加之國家層面正式定調，我國量子科技領域即將迎來大規(guī)模投入、研究階段。

    正如潘建偉對本次量子霸權的評價：“這是一個動態(tài)過程，所有領先都只是暫時的?！毕嘈旁趪艺叻龀峙c學術界的努力之下，我國量子科技的整體實力將持續(xù)上升、領跑國際！