“九章三号”的1微秒背后

林宽雨

2023年10月，中国科学家宣布成功构建了255个光子的光量子计算原型机“九章三号”，求解高斯玻色取样数学问题比目前全球最快的超级计算机快1亿亿倍，确立新的算力里程碑。

“九章三号”的成功问世，让量子计算机再度受到广泛关注。今天，我们就来聊聊量子计算机，让大家对这种距离我们生活还比较遥远的计算机有更多的了解。

简单地说，量子计算机就是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的计算机。虽然也是计算机家族的一员，但是量子计算机和我们熟悉的传统计算机在计算速度上的差异非常大。如果将传统计算机的计算速度比作自行车的骑行速度，那么，量子计算机的计算速度相当于飞机的飞行速度。

看到算力如此恐怖的量子计算机，传统计算机如果像人一样会思考，它可能会问出一个很多人都很好奇的问题：量子计算机为何如此之强？

要回答这个问题，可以从传统计算机处理数据的最基本单元——比特说起。比特就像一个开关，可以通过阻拦或允许电力通过，产生二进制的单元信息。如果我们规定这个开关断开时表示“0”，闭合时表示“1”，那我们就可以用这个开关表示“0”和“1”两种情况，不过这个开关一次只能表示一个数。量子计算机处理数据的最基本单元是量子比特，我们也可以把它想象成一个开关，并同样规定断开时表示“0”，闭合时表示“1”。虽然也是表示“0”和“1”两种情况，但是因为量子叠加态的存在，量子比特开关一次就能表示“0”和“1”这两个数，这种叠加态让量子计算机拥有了并行计算的能力，其算力会随着量子比特数量的增多呈指数增长。

举个例子，假如我们想对表示开关通、断的两个数进行加法运算，传统开关因为一次只能表示一个数，所以需要计算两次；而量子开关因为既表示“0”，也表示“1”，所以只需要计算一次就能得到两个结果。当开关的数量增加到N个时，量子开关可同时表示2n种状态，而传统开关依然只能表示一种状态，这时如果再进行加法运算，传统开关需要计算2n次，而量子开关还是一次就能完成所有加法运算。

需要说明的是，尽管量子计算机拥有非常恐怖的计算能力，但是它并不是完全强于传统计算机，因为量子计算机想展示自己的出色算力，通常需要满足两个条件：一是这个问题适合采用量子计算机进行运算处理；二是这个问题也能用传统计算机进行运算处理，只是对传统计算机而言过于复杂。概括起来就是，量子计算机只在特定问题的运算上完全碾压传统计算机。

尽管量子计算机还只能在特定问题求解上使用，但是它展现出的强大计算能力还是让人惊叹。如此优秀的计算机究竟是如何诞生的呢？这个问题还要从20世纪80年代说起。

1981年5月，诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼在一次演讲中提到两个有关量子的问题：经典计算机能否模拟量子系统？利用具有奇特性质的量子材料，能否建造出模拟量子系统的计算机？这两个具有前瞻性的问题，让更多的人关注量子计算并投入相关研究中。随着研究的深入，人们越发感觉量子计算具有重要意义，一场关于量子计算机的竞赛悄然展开。在过去的10多年里，包括谷歌、IBM、微软等在内的多家大公司都在互相较劲儿。2013年，谷歌建立了量子人工智能实验室，致力于通过超导量子比特实现量子计算；2017年， IBM宣布制造出50个量子比特的芯片；2019年，微软发布Azure Quantum量子服务……量子计算机在人们的努力研究下变得越来越出色。

在国外新型量子計算机不断涌现的同时，我国在量子计算机研究领域也是屡创佳绩。2023年10月，由中国科学技术大学研究团队、中国科学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构建的光量子计算原型机“九章三号”成功问世。

作为中国量子计算机家族的最新代表，“九章三号”在算力方面的表现更为优秀。“九章三号”拥有操纵255个光子的能力，其处理某特定问题的速度比它的前辈“九章二号”快了100万倍。它在1微秒（百万分之一秒）时间内处理的最高复杂度的样本，需要当前超级计算机家族的最优秀成员——美国的“前沿”超级计算机花费超过200亿年的时间来处理。

可以说，不论是对比其他计算机家族的成员还是自己的前辈，“九章三号”在算力上都已遥遥领先。

因为拥有异常优秀的算力，未来的量子计算机会在很多需要大量计算的领域被委以重任，比如：

破译密码

现代公开密钥加密的主要方式是利用数学上难解的计算问题生成一对密钥，一个是加密密钥，一个是解密密钥。因为通过加密密钥推算解密密钥的计算量很大，在有限的计算资源和时间内很难实现，所以密码的安全性能够得到保障。但是，在量子计算机面前，原本安全的密码可能就不那么安全了，凭借强大的计算能力，量子计算机或许能轻松地推算出解密密钥。

助力人工智能

当今社会，得到大力发展的人工智能已经在我们的日常生活中得到很多应用，科学家也在努力让人工智能变得更聪明。然而，在人工智能快速发展的道路上存在一些“拦路虎”，计算机算力短缺就是其中之一。量子计算机如果能顺利实现商用，凭借其强大的算力，一定会让人工智能的智能程度更上一层楼，为我们的生活带来更多精彩。

进军医学领域

未来的量子计算机在医学领域也可能得到重用。在药物的研发阶段，需要借助计算机进行一些筛选工作，如果量子计算机能代替传统计算机从事这项工作，筛选效率一定会得到大幅度提升。

除了以上几方面，未来的量子计算机还有望在天气预报、大数据优化、金融分析等需要强大的计算机算力的领域得到广泛应用。

需要说明的是，想让量子计算机在上述领域大显身手，还需要耐心等待。

在2019年安徽省合肥市举办的新兴量子技术国际会议上，科学家将量子计算机的发展划分成了3个阶段：第一阶段，让量子计算机拥有强大实力，针对特定问题的算力超越经典计算机；第二阶段，让量子计算机具有实用价值，在量子化学、机器学习等领域崭露头角；第三阶段，让量子计算机进化成可编程的通用量子计算机，在密码破译、人工智能等领域大显身手。

目前，“九章三号”也只是处于第一阶段向第二阶段跨越的阶段，距离最终实现通用的目标还有很长的路要走。希望未来的量子计算机能如科学家计划的那样发展下去，早日实现通用，为我们的生活增添更多色彩。

（责任编辑：白玉磊）