2020 年 12 月 4 日，《科学》杂志发表了一项量子计算领域的重要成果：中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等科学家组成的研究团队，基于量子计算原型机“九章”，成功实现了“量子计算优越性”。这是中国科学家第一次实现这样的成果。

除了中国科学技术大学，参与到这一项目里的科学家还来自中科大上海微系统与信息技术研究所，和国家并行计算机工程技术研究中心。

量子计算优越性是怎么体现的？

量子计算优越性又称之为“量子霸权”，是指用量子计算机解决经典计算机实际解决不了的问题。这个术语最早由加州理工学院物理教授约翰·普利斯基尔（John Preskill）提出。

在中国科学家的研究成果中，量子优越性通过快速完成“高斯玻色取样”任务来展现。据中国科学技术大学上海研究院主办的科普商标论坛《墨子沙龙》，科学家们在选取量子计算机的任务时，“需要经过精心考量，该任务最好比较适合已有的量子体系，同时对于经典计算来说很难模拟”。

玻色取样就是知名度最高的任务之一。简单来说，玻色取样是一个复杂的概率问题，并且复杂度随着量子数量的增加而提高。科学家们发现，玻色取样任务中，量子计算机在中小量子数量规模下，就有可能打败超级计算机。因此，玻色取样成为量子计算领域的一个热门问题。不过，玻色取样需要的单光子源，在实验上很难大规模实现，因此研究人员通常会考虑这个问题的一个变种——高斯玻色取样。

通过自主研制功能更强大的量子光源，以及实现其他一些必须的突破，中国科学家团队成功构建了 76 个光子的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”。

在同样取样数的任务中，“九章”仅用一分钟就完成了，而目前最快的超级计算机“富岳”，需要一亿年时间。这意味着，在高斯玻色取样这一任务中，取样数相同的情况下，“九章”的速度是“富岳”的一百万亿倍。

光量子干涉实物图，图片来自中国科学技术大学学

“九章”和“悬铃木”有什么不同？

最早宣称实现量子计算优越性的，是 Google 研究团队。2019 年 10 月，Google 在《自然》杂志上刊登了一项成果，利用 53 个超导比特量子计算原型机“悬铃木”，来完成“随机线路采样”任务。

“悬铃木”用了约 200 秒的时间进行了 100 万次采样，同样的任务，当时最快的超级计算机 Summit 要用一万年。基于此对比结果，Google 团队宣称，在世界范围内第一次实现了量子优越性。

不过，负责开发 Summit 的 IBM 很快出来反驳，他们认为 Google 的估算方法有问题，而用他们自己的方法，可以让超算在 2.5 天内完成相同计算任务。这还是” 保守的、最坏情况的估计 “，其他研究能进一步减少时间。

“悬铃木”另一个被质疑的点是，其量子优越性依赖于样本数量。据《墨子沙龙》，在“随机线路取样”实验中，“悬铃木”采集 100 万个样本时， 需要 200 秒，超算 Summit 需要 2 天，量子计算相比于超级计算机有优越性。

但如果采集 100 亿个样本的话，经典计算机仍然只需要 2 天，可是 “悬铃木” 却需要 20 天才能完成这么大的样本采样，量子计算反而丧失了优越性。而对于高斯玻色采样问题，量子计算优越性不依赖于样本数量。

此外，“九章” 运行的温度条件，也没有 “悬铃木” 那样苛刻，除探测部分需要低温外，其他部分都是在常温下运行的。

Google的量子计算原型机“悬铃木”

潘建伟表示，（“九章”实现量子计算优越性）这一成果牢固确立了中国在国际量子计算研究中的第一方阵地位。

但这还只是发展量子计算机的第一阶段。按业界普遍公认的标准，量子计算机发展共有三个阶段。第二阶段的标志是，研制出可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，解决超算无法胜任的、具有实用价值的问题。第三阶段，则以研制出通用量子计算原型机为里程碑。