“九章”解读

2020年12月4日，中国科学技术大学宣布，该校潘建伟团队和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成功构建的76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法“高斯玻色取样”只需200秒，而目前世界上最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使中国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家，牢固确立了中国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。什么是“量子优越性”“高斯玻色取样”？“九章”优胜在何处？量子计算机距离我们生活还有多远？

什么是“量子优越性”

量子优越性是一个科学术语，是指在某个特定问题上，量子计算机的计算能力远超传统计算机。

传统计算机将所有数据存储为0或1，而量子计算机利用量子力学的原理，可以允许一个物体同时处于多种状态，实行“并行计算”。 正是因为这种能力，量子计算机一旦实用化，将会在很多领域取得革命性的成果。因此，近年来世界各国研究人员展开的研发竞争非常激烈。

2019年9月，美国谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学问题的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要1万年，因此他们在全球首次实现了“量子优越性”。 相比“悬铃木”，“九章”有三大优势：一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题，但与最快的超级计算机等效比较，“九章”比“悬铃木”快100亿倍。二是环境适应性。“悬铃木”需要-273.12℃的运行环境，而“九章”除了探测部分需要-269.12℃的环境外，其他部分可以在室温下运行。三是弥补了技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超级计算机，“九章”在小样本和大样本上均快于超级计算机。

什么是“高斯玻色取样”

量子计算机具有超快并行计算能力，它通过特定算法在一些重大问题方面实现指数级别的加速。“九章”解决的“高斯玻色取样”问题就是一种。“高斯玻色取样”是一个计算概率分布的算法，可用于编码和求解多种问题，其计算难度呈指数增长，很容易超出目前超级计算机的计算能力，适合量子计算机来探索解决。

这有点像一种叫高尔顿板的游戏：小球从上端的口落下，每经过一个钉板，都有一半的可能从左边走，一半的可能从右边走，最后，当很多小球扔下去后，下面格子里的小球分布会呈现一定的统计规律。

高斯玻色取样就是量子版本的高尔顿板，实际情况更为复杂，非常适合量子计算机来解决。小球变成了光子，钉板变成了分束器，若干个光子进入网格之后，经过分束器组成的干涉仪，最终分别在哪些出口被探测到并记录下来，就是一个采样。积累之后，光子数也会有一个分布，每一种采样结果都对应一个概率，全部可能的采样结果就构成输出态的态空间。在本研究中，潘建伟团队构建的76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了“高斯玻色取样”任务的快速求解。“九章”的算力究竟有多强？在室温条件下运行（除光子探测部分需4K低温），计算“高斯玻色取样”问题，“九章”处理5000万个样本只需200秒，而目前世界上最快的传统超级计算机“富岳”需6亿年；处理100亿个样本，“九章”只需10小时，超级计算机则需要1200亿年—而宇宙年龄不过约137亿年。

量子计算机距离实用化还有多远

虽然“九章”和“悬铃木”都实现了量子优越性，但“九章”进行的计算是“高斯玻色取样”，而“悬铃木”开展的计算是输出特殊倾向的随机数列。这都是为量子计算机量身打造的特殊计算，目前的量子计算机还无法在通用计算方面达成量子优越性。量子计算机的发展将有三个阶段：第一阶段，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现量子优越性里程碑式突破；第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题，比如量子化学、新材料设计、优化算法等；第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算原型机。目前，“九章”还处在第一阶段。真正实用的量子计算机的出现则要到第三阶段。能在各领域使用的通用型量子计算机必须要具备的一个特征，就是纠错机制。实际上，传统电子计算机也可能因为某些原因出现电子信号变强或变弱，从而导致发生计算错误，因此，传统电子计算机也具备各种纠错机制。但是对于量子计算机来说，纠错机制尤为重要。量子计算机利用微观物质所遵从的量子力学性质，所以不能照搬传统电子计算机的纠错机制。现在科学家正在研究利用“量子纠缠”的状态来进行纠错。这种纠错机制需要很多的量子比特。研究者猜测，要想实现带有纠错功能的通用型量子计算机，一般认为至少需要1万～100万个量子比特。现阶段的规模是完全不够的。另外，增加量子比特个数并不是那么简单的事情，如果单纯地增加量子比特的个数，就很难再保持机器的精度，各种线路也会变得更复杂，反而更容易产生错误。所以，要实现1万～100万个量子比特这样的规模，最快也是10～20年之后的事情了。

潘建伟透露，在“九章”量子计算原型机的基础上，他们研究组将通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术攻关，力争尽早研制出可编程的通用量子计算原型机。“希望能够通过15年到20年的努力，研制出通用的量子计算机，用以解决一些应用非常广泛的问题，比如密码分析、气象预报、药物设计等，同时也可以用于进一步探索物理学、化学、生物学领域的一些复杂问题。”

将来有了量子计算机，互联网还安全吗

有科学家认为，随着量子计算机的落地，未来的网络安全将面临巨大问题，比如量子计算机的强大算力将把目前的传统安全算法体系彻底击垮。现在，为了保证互联网通信的隐匿性，通常采用一种叫作“RSA算法”的加密方法。这种加密方法所基于的数学原理是：巨大整数的素因数分解十分困难，即“把两个巨大的素数相乘得到的整数再进行素因数分解，求解出原本的两个素数在事实上是不可能的”。如此一来，便可以保证加密的安全性。如果用目前的超级计算机对巨大整数进行素因数分解，所需要的时间会长到无法想象。但是，量子计算机在短时间内对巨大整数进行素因数分解所使用的量子算法（舒尔算法）已经公开。换句话说，量子计算有望以极短的时间破解基于“RSA算法”的加密方法。所以有人认为将来互联网的安全性会遭到致命性的破坏。不过，目前研究者已经开始研发即使用量子计算机也解密不了的加密方式，因此某一天加密算法突然失效的情况应该不会出现。

【责任编辑】蒲 晖