這就是中國優勢 | 科技優勢（十）量子計算：中國彎道超車實現“量子霸權”

【導語】“可上九天攬月，可下五洋捉鱉，談笑凱歌還。”這是一種豪情與詩意，也是當今中國正創造的奇跡。中國人對未知的好奇、對探索的渴望、對困境的思考以及對美好未來的期待，推開了一扇扇嶄新世界的大門：空間探測、生物醫藥、人工智慧、量子科學……中國科技創新的步伐從未停止。正如習近平總書記所説，一切偉大成就都是持續奮鬥的結果，一切偉大事業都需要在繼往開來中推進。新時代必將是大有可為的時代。

量子理論從問世以來已孕育出原子彈、鐳射、電晶體、核磁共振、全球衛星定位系統等等新技術，成為上世紀最重要的科學發現之一。進入21世紀，量子科技革命的第二次浪潮正撲面而來，在科學界看來，它催生了量子計算、量子通信和量子精密測量等一批新興技術，將極大地改變和提升人類獲取、傳輸和處理訊息等的方式和能力。

當下，有望給新一代電腦帶來革新的“量子電腦”的研究開發正在全球掀起熱潮。中國在量子計算領域捷報頻傳，隨著“九章二號”、“祖衝之二號”量子電腦陸續問世，中國成為國際量子科研版圖上的重要力量。

2020年12月4日，中國科學技術大學宣佈該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，僅用200秒就能求解演算法。（圖源：新華社）

量子計算為何如此重要？

早在上世紀80年代，就有科學家提出了將量子效應引入資訊處理的構想，量子計算的概念開始出現在世人眼中。經過近四十年的技術和理論發展後，量子計算正逐漸從模糊的構想化為現實。

與傳統電腦使用0或者1的比特來存儲資訊不同，量子計算以量子比特作為資訊編碼和存儲的基本單元。基於量子力學的疊加原理，一個量子比特可以同時處於0和1兩種狀態的相干疊加，即可以用於表示0和1兩個數。因此，量子計算提供了一種從根本上實現並行計算的思路，具備極大超越經典電腦運算能力的潛力。

2017年5月3日，中國科學技術大學陸朝陽教授（中）和學生們在中國科學院量子資訊和量子科技創新研究院上海實驗室檢查光量子電腦的運作情況。（圖源：新華社）

對於普通人來説，關於量子的學説都顯得高深莫測，但是難懂並不妨礙我們來認識它的重要性。量子計算作為這一場新量子革命中最具有代表性的技術，是未來計算技術的心臟。其優勢在於可通過特定演算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面，獲得比經典電腦更強的算力。大規模通用容錯量子電腦可以在化學反應計算、材料設計、藥物合成、密碼破譯、大數據分析和機器學習、軍事氣象等領域産生顛覆性影響。

中國量子計算到底有多領先？

2016年11月26日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學實驗衛星過境，科研人員在做實驗。（圖源：新華社）

2020年12月，曾在量子通信領域研發全球首顆量子通信衛星“墨子號”的中國科學技術大學潘建偉研究團隊成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”。國際學術期刊《科學》評價，這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。有多重大？答案是：這一突破讓中國成為繼美國之後全球第二個實現“量子優越性”的國家。

在量子電腦的相關競爭中，“量子優越性”特別受到關注。所謂“量子優越性”，也被稱為“量子霸權”，這是一個科學術語，與國際政治無關，是指量子電腦如果在某個問題上的計算能力超過現有的最強的傳統電腦，就實現了相對傳統電腦的“霸權”。

至於“九章”算力有多強？它可以在200秒時間內完成截至2020年世界排名第一的超級電腦日本“富岳”6億年才能完成的任務。同時，它也比2019年9月讓美國獲得首個“量子霸權”的谷歌發佈53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

二維超導量子比特晶片示意圖, 每個橘色十字代表一個量子比特。（圖源：中國科學技術大學）

2021年5月，中國科學技術大學潘建偉研究團隊又成功研製出62比特可編程超導量子計算原型機“祖衝之號”，並實現可編程的二維量子行走。該成果為在超導量子系統上實現“量子優越性”，以及後續研究具有重大實用價值的量子計算奠定了技術基礎。

值得驕傲的是，此後不到一年，“九章”和“祖衝之”雙雙升級。與“九章”相比，“九章二號”極大地提高了量子優勢：對於高斯玻色採樣問題，“九章”一分鐘完成的任務，超級電腦“富岳”需要花費一億年來解決；“九章二號”一毫秒可以解出的問題，“富岳”需要算30萬億年！最重要的是，“九章二號”還具有了部分可編程的能力。

“祖衝之二號”則通過操控其上的56個量子比特，在隨機線路採樣任務上實現了量子計算優越性，所完成任務的難度比“懸鈴木”高2至3個數量級。這一系列令人矚目的成果，標誌著中國已成為世界上唯一一個在超導和光量子兩個“賽道”上達到“量子優越性”里程碑的國家。

通用量子電腦誕生或還需15年

光量子干涉實物圖。（圖源：中國科學技術大學）

目前的量子電腦還只能用於解決特定的問題，而距離最終研製“可編程的通用量子計算原型機”的發展階段還有很長一段距離，需要好幾道難關。因為量子電腦的計算能力隨量子比特數目呈指數增長，所以量子計算研究的核心任務是多量子比特的相干操縱。對量子電腦的研究，根據相干操縱量子比特的規模，國際學術界公認有三個里程碑階段——

第一個里程碑是實現“量子計算優越性”，即量子電腦對特定問題的計算能力超越經典超級電腦，達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。中國分別於2020年在光量子體系、2021年在超導線路體系實現了“量子計算優越性”。

第二個里程碑是實現專用量子模擬機，即相干操縱數百個量子比特，用於解決若干超級電腦無法勝任的實用問題，例如量子化學、新材料設計、優化演算法等。達到該階段需要5至10年，是當前的主要研究任務。

第三個里程碑是實現可編程通用量子電腦，即相干操縱至少數百萬個量子比特，能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智慧等方面發揮巨大作用。由於技術上的難度，何時實現通用量子電腦尚不明確，國際學術界一般認為還需要15年甚至更長時間。

由此可見，實現“量子霸權”並不是終點，而是一個起點。目前，中國已完成了所有重要量子計算體系的研究佈局，成為包括歐盟、美國在內的三個具有完整佈局的國家(地區)之一。未來量子電腦將如何改變世界？且拭目以待。

(資料來源：中國科學院、新華社、觀察者網、學習時報、科技日報)