九章200秒完成6亿年工作 量子计算原型机九章有多厉害

《九章》可以在200秒内完成工作。目前世界上最快的超级计算机“福越”，将工作6亿年。

12月4日，中国科学技术大学宣布，潘建伟、卢朝阳等研究团队成功构建了一台76光子的量子计算机的“九章”。按照现有理论，比“福越”快一千亿倍。

一百万亿，也就是1后跟14个零。这个庞大的数字让人头晕。顶级学术期刊《科学》(Science)今天也发表了这一沉重的成就，评论者的评论同样精彩:“伟大的成就”和“最先进的实验”。

我们第一次问“九章”团队核心成员、2019年“科学探索奖”获得者、中国科技大学教授卢朝阳，就为了找出一个问题:“九章”，以中国最早的古代数学专著《算术九章》命名的量子计算原型，有多好？

让量子计算“秀肌肉”

《九章》中的每一篇报道都会提到一个词“量子优越性”。随着《九章》，中国成为世界上第二个实现“量子优势”的国家，也确立了其作为国际量子计算研究第一方阵的地位。

什么是「量子优势」？陆朝阳告诉我们:“如果量子计算原型在某个问题上比最强的传统计算机有更强的计算能力，那就证明了量子计算在未来有多方面超越的可能性。”

或者通俗点说。虽然理论勾勒出的光明前景令人着迷，但量子计算仍然需要在现实中证明自己的实力。科学家们选择了极其复杂的问题来测试量子计算，以便它能够在实际应用中“展示肌肉”。证明“量子优越性”被认为是量子计算从理论到实践的“里程碑转折点”。

“我能行。”这是第九章给出的答案。如果样本数扩大到100亿，《九章》只需要10个小时，而超级计算机需要1200亿年，而地球从诞生到现在只有46亿年左右。通过《九章》，量子计算的并行计算能力彻底粉碎了传统计算机。这叫“量子优越感”，因为差距太夸张了，“量子优越感”甚至被称为“量子霸权”。

用谷歌“铃木”算个账

当量子计算与传统计算的差异如此之大的时候，就说明了《九章》是多么的强大，我们需要换一个维度。

与《九章》竞争的是谷歌的量子计算原型“悬铃木”。都是用来证明“量子优越性”的，要解决的问题也是大方向的量子采样。《九章》侧重“高斯玻色采样”，而《悬铃木》则选择“随机线采样”。

挂钟屠龙告诉世人，没有人可以抗衡。

与《悬铃木》相比，《九章》有三个优点:第一，更快。虽然计算不是同一个数学问题，但相比最快的超级计算等价物，《九章》比《悬铃木》快100亿倍。第二，环境适应性。因为超导系统，“悬铃木”必须在-273.12℃的超低温环境下运行，而“九章”除了-269.12℃的环境外，可以在室温下运行。三是弥补了技术漏洞。《悬铃木》只在小样本情况下比超算快，《九章》无论在小样本还是大样本情况下都比超算快。

路朝阳接受央视新闻网采访

陆朝阳说:“比如谷歌的机器冲刺可以跑赢超算，长跑不赢；我们的机器短跑和长跑都能赢。”

《九章》的输出状态空达到了10的30次方。要记录这些状态，光用光世界上的内存、硬盘、CD是不够的。“悬铃木”的输出状态空是10到16的幂，与它们相差十几个数量级。”赵树理说。

值得一提的是，量子计算在今天已经显示出诱人的应用前景。基于“九章”量子计算原型的高斯玻色采样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在的应用，将是未来发展的重要方向。

50匹马和一根头发

“我们需要50个光子同时穿过20多米的光层，每条路必须保持25纳米的精度。这相当于让50匹马一起跑100公里，必须同时到达。每匹马的误差不能超过1。发丝。”路朝阳对《九章》实现难度的描述让人倒吸一口冷气。

100模式相位稳定干涉仪:光学量子干涉装置以高精度锁定任意两束光束之间的相位。

“从工作思路来看，《九章》的创新之处在于利用压缩态作为输入源做高斯玻色采样。在具体实施方面，已经开发了四项关键技术。”卢朝阳说。证明“量子优越性”，不仅要会计算，还要会出题，会测量。

“50匹马和一根头发的比喻是形容10减9次方的锁相精度。此外，我们还提供世界上唯一的高效率、高各向同性、高亮度、大规模扩展的量子光源。它构建了一个大规模、全连通的矩阵相位，通过率接近100%，还可以非常高效地探测收集到的单光子，每一个都是陆朝阳进一步解释的。

高质量光子源，高精度锁相，大规模干涉...创新突破，让《九章》从后面来。专用机？通用机？《九章》的强势让围观者难以不联想。“除了实现‘量子优越感’，只能解决具体问题的‘九章’还有什么用？”再进一步，就像传统计算机用了20多年，经历了从特殊到一般的过程，我们离一般的量子计算机还有多远？

"许多人对通用量子计算机非常着迷。"卢朝阳说:“其实我想告诉你，如果我们能生产出一些有实用价值的特殊量子计算机，那就有很大的社会价值和商业价值。比如《九章》的解法，其实是一个数学问题，可以映射到以后的药学、材料设计等很多领域。每个问题的解决方案都可能是一个十亿美元的产业。”

《九章》相当于76个量子位，而一般的量子计算机可能需要几千万个量子位。“过度预期会导致大量泡沫。”卢朝阳说:“对于一般的量子计算机，我们普遍认为还需要15-20年，每一台特殊的机器都是量子计算道路上的一块敲门砖。只有循序渐进，一路产卵，才能保证量子计算的健康发展，避免‘量子冬天’的到来。”

陆朝阳教授获首届“科学探索奖”。“科学探索奖”评委会肯定了他在高性能量子光源、多粒子纠缠、量子隐形传态、量子计算等方面的研究成果，激励他在量子计算的物理实现方面大胆探索。