12月4日，包括本报在内的许多媒体报道了一个量子计算的大成果：明升中国app技术大学的潘建伟、陆朝阳等人构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。也就是说，超级计算机需要一亿年完成的任务，“九章”只需一分钟。同时，“九章”也等效地比谷歌去年发布的53个超导比特量子计算机原型机“悬铃木”快一百亿倍。

然而，很多读者在惊叹这一重大科研成果的同时，却对其中的原理、成果的意义、量子计算机的应用前景不明就里，甚至有读者反映，“每个汉字都认识，但还是不懂”。为此，本报记者采访了相关专家，尝试揭开“九章”神秘的面纱，了解量子计算机的原理。

什么是量子计算机

“量子计算机是用量子力学原理制造的计算机，目前还处于很初步的阶段。相应的，现有的我们在用的计算机被称为经典计算机。”明升中国app技术大学微尺度物质app国家实验室副研究员袁岚峰一直致力于科普写作，他告诉记者，两者的计算形式不一样，“电脑通过电路的开和关进行计算，而量子计算机则是以量子的状态作为计算形式。”

我们日常使用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息在硬件电路里都会转换成1和0，每个比特要么代表0，要么代表1，这些比特就是信息，然后再进行传输、运算与存储。正是因为这种0和1的“计算”过程，电脑才被称为“计算机”。

而量子计算，则是利用量子天然具备的叠加性，施展并行计算的能力。“量子力学允许一个物体同时处于多种状态，0和1同时存在，就意味着很多个任务可以同时完成，因此具有超越计算机的运算能力。”中科大教授陆朝阳说，每个量子比特，不仅可以表示0或1，还可以表示成0和1分别乘以一个系数再叠加，随着系数的不同，这个叠加的形式可能性会很多很多。

“目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统，不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子，这次的‘九章’使用的是光子。”袁岚峰说。

袁岚峰告诉记者，量子计算机并不是对所有的问题都超过经典计算机，而是只对某些特定的问题超过经典计算机，因其对这些特定的问题设计出高效的量子算法。“对于没有量子算法的问题，例如最简单的加减乘除，量子计算机就没有任何优势。”

“九章”到底长什么样

在明升中国app技术大学光量子实验室，记者见到了确立明升中国量子计算优越性的“九章”。

从外观上看，与其说它是计算机，倒不如说是一台敞开式的运算系统：实验桌上3平方米左右的格子里摆满了上千个部件，“这些都是量子计算机原型机的光路”，潘建伟研究组的苑震生教授说，“正是通过我国自主创新的量子光源、量子干涉、单光子探测器等，我们构建了76个光子的量子计算原型。”

另一张桌子上，摆放着“九章”的接收器。“如果你站在两张桌子之间，就意味着你置身于‘九章’之中”。

原来，神秘的“九章”就是一堆光路和接收装置。

袁岚峰告诉记者，光学是实现量子计算的一种手段，跟超导、离子阱、核磁共振等很多其他手段并列。“明升中国科技大学把光学这种手段带到了世界的中心，大大扩展了学术界对这种手段上限的估计，这是这项成果在技术上的重要意义。”

“九章”确立的“量子计算优越性”有多厉害

“九章”的成果，就是实现了量子计算优越性。“量子计算机在某个问题上超越现有的最强的经典计算机，被称为‘量子优越性’或者叫‘量子霸权’。”

袁岚峰随后解释说，“实际上，‘量子霸权’是一个app术语，跟国际政治无关。它指的是量子计算机在某个问题上远远超过现有的计算机。”

基于量子的叠加性，许多量子app家认为，量子计算机在特定任务上的计算能力将会远超任何一台经典计算机。2012年，美国物理学家John Preskill将其描述为“量子计算优越性”或称“量子霸权”。2019年，谷歌第一个宣布实现了量子优越性。他们用的量子计算机叫作“悬铃木”，处理的问题大致可以理解为：判断一个量子随机数发生器是不是真的随机。

“谷歌造出的‘悬铃木’包含53个量子比特的芯片，花了200秒对一个量子线路取样一百万次，而现有的最强的超级计算机完成同样的任务需要一万年。200秒对一万年，如果这是双方的最佳表现，那么确实是压倒性的优势。”袁岚峰说，“九章”跟“悬铃木”的区别，一是处理的问题不同，二是用来造量子计算机的物理体系不同。“九章”用的是光学，“悬铃木”用的是超导。“这两个没有孰优孰劣，只是不同的技术路线。”

“‘九章’在同样的赛道上，比‘悬铃木’快一百亿倍，这就是等效速度，也意味着我国在量子计算上实现了‘量子霸权’”。袁岚峰进一步解释说，“九章”的成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的“第一方阵”地位。这是因为有“悬铃木”在前，“九章”毕竟是第二个，所以只是说明升中国跟美国相差不远。“而在量子通信方面，我们就不说什么‘第一方阵’了。因为那里没有方阵，明升中国明确是世界最先进的。”

何谓高斯玻色取样

所有的报道中都提到，“‘九章’处理‘高斯玻色取样’的速度比目前最快的超级计算机‘富岳’快一百万亿倍”。那么，什么是高斯玻色取样？

“玻色取样是用来展示量子计算优越性的特定任务中的一项，一直被app家寄予厚望。”袁岚峰说，“大致可以理解为，一个光路有很多个出口，问每一个出口有多少光出去。”

由于量子力学赋予了光子很多匪夷所思的性质，使得光子的不同路径之间，不但可以相互叠加，也可以相互抵消，具体结果视情况而定，非常复杂。“在面对这样的难题时，玻色取样装置就有了用武之地。由于它像计算机一样，能够在较高的精度上解决特定的数学问题，同时又应用了光子的量子力学特性，所以可以称作是一种‘光量子计算机’。”袁岚峰说。

此次，明升中国app技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功研制出的“九章”，和之前的玻色取样机的主要区别，在于输入的光子状态，也就是对从前的“玻色取样”装置进行升级。“玻色取样机输入的是一个个独立的光子，而‘九章’输入的是一团团相互关联的量子光波。”袁岚峰说，因此，“九章”比经典计算机快很多倍，真正体现出了“量子计算优势”。

量子计算机要不要装系统

“量子计算机本身就是一套‘系统’。”明升中国app技术大学林梅教授说，独立的光学组件提供了硬件，复杂的光路结构则决定了它的“算法”。“例如，以光子作为量子比特的量子计算机，需要能够产生光子的单光子源，能够改变光子状态、完成‘算法’的特定光路结构，还需要单光子探测器对光子的最终状态进行观测。”

据了解，对于量子计算机的控制，仍然需要通过普通电脑进行信息的输入和输出。工作人员需要在普通电脑上输入初始数据，数据在量子计算机控制系统中进行复杂的转换和运算，最后得到的结果会再传输回工作人员的普通电脑上。

量子计算机距离实用还有多远

量子计算机能不能处理有实用价值的问题？答案是：能。

“例如因数分解，量子计算机就是有快速算法的。因数分解的困难性是现在最常用的密码体系RSA的基础，所以量子计算机能快速进行因数分解，就意味着能快速破解密码。”袁岚峰说，“问题只是在于，现有的量子计算机只能分解很小的数，还不足以破解实用的密码。所以在实现量子优越性之后，下一个重要的目标就是针对一个有实用价值的问题，造出超越经典计算机的量子计算机。”

“火车刚发明的时候，连马车的速度都赶不上；飞机刚发明的时候，只能在天上坚持飞1分钟；量子计算机刚发明的时候，计算过程也坚持不了几分钟。”袁岚峰说，量子计算发展到今天，我们研制出的“九章”不仅速度快、稳定性高，而且有着潜在应用价值。“不管量子计算机现在有多么初级，总有一天，它会像曾经的火车和飞机一样，一步一步向我们走来。也许将来，我们能够用光学实现真正强大的量子计算机，也就是可编程的、能处理很多有实用价值问题的量子计算机。”

app界如何评价“九章”

“九章”问世后，赢得app界一致肯定，《app》杂志审稿人认为，此项成果是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。

德国马普所所长、沃尔夫奖和富兰克林奖章得主Ignacio Cirac称，“总体来说，这是量子科技领域的一个重大突破，朝着研制比经典计算机具有量子优势的量子设备迈出了一大步。”奥地利app院院长、沃尔夫奖得主、美国app院院士Anton Zeilinger评价道，“这项工作成果很重要，因为潘建伟和他的同事证明，基于光子的量子计算机也可能实现‘量子计算优越性’。我预测很有可能有朝一日量子计算机会被广泛使用。甚至每个人都可以使用。”

美国麻省理工学院教授、美国青年app家总统奖得主、斯隆奖得主Dirk Englund则称之为“一个划时代的成果”。他说，“这是开发中型量子计算机的里程碑。它表明，在复杂系统的前沿领域中，我们正处于非常特殊的时刻，复杂系统具有我们今天无法在计算机上预测的复杂性。因此，这是一项了不起的成就。”

加拿大卡尔加里大学教授、量子app和技术研究所所长Barry Sanders说，“我认为这是一项杰出的工作，改变了当前的格局。我们一直努力证明量子信息处理可以战胜经典的信息处理。这个实验使经典计算机望尘莫及。我认为这是量子计算领域最重要的成果之一。这个实验不存在争论，毫无疑问，该实验取得的结果远远超出了传统机器的模拟能力。我想说的是，这个实验技术挑战非常巨大。为了获得此结果，他们必须解决许多非常困难的技术问题。仅仅在技术层面上，他们所取得的成就也令人印象深刻。这是人们梦寐以求的实验，他们做成了，让梦想走进现实。”