若样本扩大到100亿,九章不出 谁与争锋(如果把样本数据扩大)

“九章”目前世界上最快的超级计算机需要200秒才能完成的工作“富岳”，工作6亿年。

12月4日，中国科技大学宣布潘建伟、陆朝阳等研究团队成功建立76个光子量子计算机“九章”，根据现有理论，它比“富岳”快一百万亿倍。

100万亿，也就是14个0，这个巨大的数字让人头晕目眩。顶级学术期刊《科学》今天也发表了这一重大成就，审稿人的评价也难以掩饰:“重大成就”、“最先进的实验”。

第一时间，我们求教“九章”2019年团队核心成员“科学探索奖”中国科技大学获奖者、教授陆朝阳只想搞清楚一个问题:“九章”，这个得名于中国古代最早数学专着《九章算术》的量子计算原型机，到底有多牛？

让量子计算“秀出肌肉”

对“九章”每一份报告都会提到一个单词“量子优越性”。有了“九章”，中国成为世界第二个实现“量子优越性”在国际量子计算研究中，国家也确立了第一方阵的地位。

什么是“量子优越性”？陆朝阳这样告诉我们:“若量子计算原型机在某一问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，则证明量子计算在未来有多方超越的可能。”

或者说得更通俗一点。尽管理论勾勒出的美好前景令人着迷，但量子计算仍然需要在现实中证明其实力。科学家选择中，科学家们选择了极其复杂的问题来测试量子计算“秀出肌肉”。证明“量子优越性”，从理论到实践，量子计算被认为是量子计算“里程碑转折点”。

“我行。”这是“九章”答案。若样本扩大到100亿，“九章”超级计算机只需要10个小时，机需要1200亿年，而地球自诞生以来只有46亿年左右。通过“九章”，量子计算的并行计算能力完全碾压了传统计算机。这就是“量子优越性”，因为差距太夸张了，”量子优越性“甚至被称为“量子霸权”。

和谷歌“悬铃木”算一笔账

当量子计算与传统计算如此不同时，就意味着“九章”有多厉害，还得换个维度。

和“九章”谷歌量子计算原型机同台竞争“悬铃木”。它们都被用来证明“量子优越性”，量子采样也是选择解决的问题，“九章”主攻“高斯玻色采样”，“悬铃木”选择“随机线路采样”。

悬铃屠龙 号令天下 九章不出 谁与争锋 (图片来源:中国科技大学 USTC）

相比“悬铃木”，“九章”有三个优点：一是速度更快。虽然不是同一个数学问题，但与最快的超算等效相比，“九章”比“悬铃木”快100亿倍。二是环境适应性。采用超导系统，“悬铃木”全程必须是零下273.12℃（30mK）在超低温环境下运行，“九章”除了需要零下269.12摄氏度的环境外，其他部分可以在室温下工作。三是弥补技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超算，“九章”小样本和大样本都比超算快。

陆朝阳接受央视新闻网采访

陆朝阳说，“例如，谷歌的机器短跑可以超过计算，长跑不能赢；我们的机器短跑和长跑可以赢。”

“九章”输出状态空间(量子纠缠可能发生的状态)达到1030次，记录这些状态，用光世界左右的内存、硬盘、光盘还不够，“悬铃木”输出空间为1016次方，两者相差十几个数量级。”陆朝阳说。

值得一提的是，量子计算已经展现出了诱人的应用前景。“九章号”原型机的量子计算“高斯玻色取样算法”潜在应用于图论、机器学习、量子化学等领域，将是后续发展的重要方向。

50匹马和一根头发丝

“我们需要50个光子同时通过20多米的光层，每条路都要保持25纳米的精度，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一根头发。”陆朝阳对于“九章”形容难度，让人倒抽一口冷气。

100模式相位稳定干涉仪：光量子干涉装置高精度锁定任何两个光束之间的相位。 (摄影:马潇汉、梁竞、邓宇皓)

“就工作理念而言，‘九章’创新是以压缩态为输入源，对高斯玻色进行采样，在具体实现方面，开发了四项关键技术。”陆朝阳说“量子优越性”不仅要能计算，还要能出题，能测量。

“50匹马和一根头发的比喻描述了我们达到的10负9次方的锁相精度。此外，我们还提供了世界上唯一的量子光源具有高效率、高全同性、高亮度和大规模扩展能力，构建大规模、全联通、通过率接近100%的矩阵相位，以非常高的效率探测收集到的单光子，每一个都是一个巨大的挑战。”陆朝阳进一步解释。

高品质光子源、高精度锁相、大规模干涉……创新和突破，让“九章”后来居上。专用机？通用机？“九章”围观群众很难不联想到强大的实力，“除了实现‘量子优越性’，具体问题只能解决‘九章’还有什么用？”此外，就像传统计算机花了20多年时间从专用到通用一样，我们离通用量子计算机还有多远？

“很多人对通用量子计算机，有非常强大的执念。”陆朝阳说，“事实上，我想告诉你，如果我们能生产出一些具有实用价值的特殊量子计算机，它已经具有巨大的社会和商业价值，例如‘九章’解决的其实是数学问题，未来可以映射到制药、材料设计等很多领域。每个问题的解决可能都是一个100亿美元的行业。”

“九章”相当于76个量子比特，而通用量子计算机可能需要数千万个量子比特。“期望过高会导致大量泡沫。”陆朝阳说，“对于一般量子计算机，我们普遍认为，每台专用机器都需要15-20年的时间，这是量子计算前进道路上的垫脚石。只有一步一步地下蛋，才能保证量子计算领域的健康发展，避免‘量子寒冬’的到来。”

首届陆朝阳教授“科学探索奖”得主。“科学探索奖”评审委员会肯定了他在高性能量子光源、多粒子纠缠、量子隐形传态和量子计算方面的研究成果，鼓励他大胆探索量子计算的物理实现。