前两天，我才写了个“分布式量子相位估计”的文章，12月4日这一天，中科大又传来好消息，有一篇跟量子计算有关的重磅级论文在国际学术期刊《科学》上发表了。仔细一看，果然还是同个名字同个团队。

这个好消息说的是中科大潘建伟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，建造了一种量子计算原型机机，取名为“九章”。

这个量子计算原型机在处理某些特定问题的速度上，能够比世界上最先进的超级计算机快近100万亿倍。这是我国研发量子技术的第一个里程碑，也让我们成功实现了量子计算优越性。

在更详细的介绍量子计算机原型“九章”前，我计划花一些篇幅讲讲量子计算的原理以及量子计算机的研究现状。

01 量子

在物理学中，量子是参与相互作用的质量、能量等各种物理实体的最小数量或者最小单元。换句话说，一个物理性质可以被“量化”时，也意味着这个物理性质的大小，只能采用一个量子的整数倍组成的离散值。

量子在不同的实验中以不同的状态存在，有时候是波，有时候是粒子，很多时候你说它是波或者粒子中的任意一种都是不精确的。因为在某个实验中，当你说它是波时，它有干涉和衍射，但没有对应的确定的物理量；而当你说它是粒子时，它确实可数，也有确定的质量和电荷，但是它却没有确定的轨道。

很多时候，说到量子，并且跟能量绑在一起说的时候，大家就喜欢用“光”来举例。一个光量子，就是指的一个量子。这个概念是在1905年被爱因斯坦引入到光学里的，后来大家熟知的以及如今的“九章所使用的“光子”，实质上就是这个“光量子”。

“量子”这个说法其实是由一个沉迷于“黑体辐射”的科学家提出的，因为它很好地解释了一些之前无法解释的物理现象，由此诞生了区别于“传统力学”的“量子力学”，也被一些人称作是“第一次量子革命”。

02 量子科技和量子计算

量子力学产生以后，就成为了无数科学家的研究课题。进入科学时代以来，量子科技就成为了国际上最受关注的前沿热点之一。

站在头部的决策者通常有高瞻远瞩的眼光和意识，于是各大国都开始投入巨资发展量子技术。例如通过研究量子技术，去改进人工智能、安全加密以及更有效的药物和材料设计等。

科学家在一个多世纪的时间里，学会了将单个量子系统控制为单个原子，电子和光子，这就使得极其快速的量子计算进入了人们视野。也被人们当作是研究防拦截通信和超灵敏的测量方法的一个全新方向。

就如前一篇文章所说，分布式量子相位估计需要用纠缠光子来进行实验一样，量子计算也是利用诸如叠加和纠缠之类的量子现象来进行计算的。

量子计算机利用量子力学的这些纠缠原理进行研发，它可以允许一个物体同时处于多种状态，尤其是0和1同时存在。故而量子计算机也被查尔姆斯大学的研究团队称之为“第二次量子革命”。

量子计算其实不是如人们想象的那样是个特别特别新的技术，其实它始于20世纪80年代初。当时物理学家Paul Benioff提出了图灵机的量子力学模型。后来在1994年，Peter Shor也开发了一种量子算法来分解整数，该整数有可能解密RSA加密的通信。

量子计算系统有包括量子电路模型，量子图灵机，绝热量子计算机，单向量子计算机和各种量子细胞自动机在内的几种模型，使用最广泛的模型是量子电路。

03量子计算原理

量子电路基于量子比特，与经典计算机是完全不同的原理。这个量子比特有两种叫法，一种是quantum bit, 另一种其实算得上是简写，叫"qubit"。也就是说，量子计算机的最小组成部分是quantum bit或qubit，这也意味着可以用相对较少的量子比特来处理大量的信息。

如果只是单纯想要超越当今传统模式下的超级计算机的计算能力，只需要50-60量子比特（qubits）就足够了。

量子比特（qubits）与经典计算中的比特有些相似。量子比特可以处于1或0量子状态，也可以处于1和0状态的叠加。但是，当测量量子比特时，测量结果始终为0或1；否则，结果为0。这两个结果的概率取决于量子比特在测量前所处的量子状态。

基于这个决定性的量子状态，改善单个量子比特（qubit）的稳定性（或者说是它的寿命）也成为了一个重大课题。量子态非常敏感，如果受到干扰，它们就会崩溃。

将实验室内部涂成黑色是一种稳定量子态的常见操作，这样做可以成功吸收那些通过电缆滑动的干扰微波。研究和评估将量子比特相互耦合的不同策略，也是对于执行正确的计算是不可少的一种方法。

除了寿命和量子比特的耦合之外，量子比特的数量也是一个重要的难题。要制造许多的量子比特其实很容易，但是还需要找到巧妙的方法来利用设备控制每个比特，以免造价过于昂贵。毕竟，电路的选择上也需要使用超导电路。

正是因为量子计算具有超快的0和1并行计算能力，所以它可以同时完成多个任务。也就可以通过特定算法实现指数级别的加速，从而真正地超越传统模式下超级计算机的计算能力。

04 量子计算的进展

尽管自20世纪90年代以来一直都在取得各种各样的实验性进展，但大多数研究人员认为“容错量子计算仍然是一个遥不可及的梦想”。

幸好近年来各公共和商业部门对于量子计算研究的投资都大幅度增加了。

量子计算虽然还处于起步阶段，但它被视为从根本上提高计算机处理速度和功能的关键。大家对它的期盼是能够模拟大型系统，并推动物理、化学和其他领域发展。

2019年10月23日，谷歌在科学杂志《自然》（Nature）上发表文章正式宣布：Google AI与美国国家航空航天局（NASA）合作，已执行了任何经典计算机都无法实现的量子计算。

在谷歌以54量子比特的量子计算机宣称已经取得了量子霸权的这一年，IBM说自己也组好了53量子比特的模型，并将在五年内将量子计算机商业化。

谷歌将关于量子计算机研究的全部细节发表在了期刊上，也就意味着它是公开的，于是更多的科学家从中看到了一个更明显的方向，那就是：利用量子力学规则，确实能够解决当前经典计算机无法处理的复杂难题。随之而来的，是科学界几乎每个月都有的新研究进展。

数字业务方面的大佬除了谷歌、IBM，其实还有个叫亚马逊的。亚马逊云计算与服务部门AWS于2019年12月推出了一个以研究人员为中心的量子计算服务，称为Braket。

Braket并非是一台真正的量子计算机，而是一项全新的、完全托管的AWS量子计算中心。目前参与亚马逊量子解决方案实验室的合作伙伴包括了很多在2019年取得关键进展的公司：1Qbit、Rahko、Rigetti、QCWare、QSimulate、Xanadu和Zapata。

目前在量子计算机领域中的先行者主要有：IBM，Google，Microsoft，Intel，Amazon，IonQ，Quantum Circuits，Rigetti Computing和霍尼韦尔等。

05 “九章”与量子计算优越性

无论如何，谷歌在量子计算机上，都是一个真正的探路者。

按照谷歌的说法，它们已经建造了一台可以在200秒内完成某些计算的量子计算机，这同样的计算放在最快的超级计算机上，需要花费大约10,000年的时间。

意即量子计算机的运算能力是一个传统计算机难以企及的速度。换成通俗的比喻，就像传统计算机是“11路人力车”（步行），而量子计算机则是“11路公交车”（汽车）或者是11路空中汽车（飞机）。

那么，在目前量子计算机具有如此强大的计算能力下，我国的“量子计算优越性”究竟是什么呢？

央视新闻援引《科学》杂志的报道说，研究人员已经建立了一个量子计算机原型，该原型能够通过高斯玻色子采样（一种标准的模拟算法）检测多达76个光子。这比现有的超级计算机快很多，比Google的量子计算机原型处理速度更是快了100亿倍。

据央视新闻记者报道，他们在量子创新研究院里看到，这个量子计算原型机“九章”，几乎占据了半个实验室，包含上千个部件。

“九章”的工作原理是将光颗粒（以红色表示）发送到通道网络中，然后在另一端测量光子。中科大的教授陆朝阳介绍道：它在世界上最大尺度的100×100干涉仪里面进行干涉，这个干涉的过程其实也是量子计算机完成计算的一个过程。

实验结果显示，“九章”处理特定问题时的速度要比目前世界上排名第一的超级计算机“富岳”要快一百万亿倍，同时也等效地比去年谷歌的量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍，成功实现了量子计算领域的第一个里程碑——量子计算优越性。

突破代表了量子计算的优势，也被称作量子优势。传统的计算机基于二进制（0与1）的计算仍受限于电路性能，无法在合理的时间内执行相同的任务，并且不太可能被算法或硬件改进所推翻。

潘建伟介绍，将实现量子计算优越性的这台量子原型机命名为“九章”，是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。

目前，有专家分析称，“九章”的一个局限性在于它只能执行一种任务，即玻色子采样，无法像Google的量子计算机一样进行编程以执行各种算法。但这个专家转头又夸奖了“九章”这个光子量子计算机可能会是一匹黑马。

另一个专家则不吝啬地提到：两个不同的平台现在能够实现这些，这表明整个量子计算领域正在以非常成熟的方式发展。”

关于这些评价，研究团队其实很巧合地在采访中提前解答了。在“九章”量子原型机的基础上，研究团队希望通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术攻关，尽早研制出可编程的量子计算机。

并且研究团队希望能通过15-20年的努力，研制出通用的量子计算机，解决包括密码分析、气象预报、药物设计，探索物理学或者化学生物学在内的一些复杂的问题。