量子计算新纪元！中国“九章”量子计算机打破极限

量子计算机是一种利用量子力学原理进行信息处理的新型计算机，它有着远超经典计算机的潜在算力，被认为是未来科技发展的重要方向之一。近日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与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。

构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，在求解高斯玻色取样问题上，比目前全球最快的超级计算机快亿亿亿倍。这是继去年成功构建76个光子100模式的量子计算原型机“九章”后，中国在量子计算领域取得的又一重大突破。

高斯玻色取样是一种用于演示量子计算优越性的数学问题，也就是说，它是一种量子计算机可以比经典计算机快得多地求解的问题。具体来说，GBS问题是要从一个特定的概率分布中随机抽取若干个样本，并统计它们出现的频率。这个概率分布是由一个复数矩阵决定的，而这个矩阵又可以用一个光学干涉装置来实现。换句话说，GBS问题就是要用光学干涉装置来模拟一个复杂的概率分布，并从中采样。

“九章”量子计算机利用了光子作为量子比特的特点，通过激光、分束器、相位器、探测器等光学元件，构建了一个复杂的多光子干涉线路。这个线路就相当于一个高维度的复数矩阵，可以用来实现GBS问题所需的概率分布。

当激光通过这个线路时，每个光子都会在不同的路径上发生干涉和叠加，从而形成一个复杂的量子态。当这些光子被探测器检测到时，就相当于从这个量子态中采样了一个样本。由于量子力学的不确定性和随机性，每次采样得到的结果都可能不同，但是它们都服从于同一个概率分布。通过重复多次采样，并统计各种结果出现的频率，就可以求解GBS问题。

我国可以快速求解GBS问题，是因为它利用了量子力学的叠加和干涉原理，使得每个光子都可以同时存在于多个路径上，从而实现了高维度的并行计算。相比之下，经典计算机要求解GBS问题，就必须模拟每个光子的行为，以及它们之间的相互作用，这需要大量的计算资源和时间。

根据目前已正式发表的最优化经典算法，“九章二号”在高斯玻色取样这一问题上的处理速度比最快的超级计算机快亿亿亿倍，比“九章”快100亿倍。“九章二号”1毫秒可算出的问题，全球“最快超算”需30万亿年。

“九章”量子计算机的成功研制，是中国在量子计算领域的重要成果，也是人类探索量子世界的重要进步。它不仅展示了量子计算机在某些问题上远超经典计算机的潜力，也为未来量子计算机的发展提供了宝贵的经验和启示。

不过，“九章”量子计算机目前还只是一个原型机，它只能求解特定的数学问题，而不能执行任意的通用算法。要想让量子计算机真正改变世界，还需要解决许多技术和理论上的难题，例如如何提高量子比特的数量、质量和稳定性，如何设计有效的量子编程语言和软件平台，如何发现更多具有实际应用价值的量子算法等等。这些都需要长期的科学探索和技术创新。

“九章”量子计算机是中国科学家在量子计算领域取得的一项里程碑式的突破，它展现了中国在这一前沿领域的强大实力和创新能力，也为全球量子计算研究提供了重要的参考和借鉴。我们有理由相信，在不久的将来，量子计算机将会给我们带来更多惊喜和奇迹，改变我们对自然界和信息技术的认识和应用。