中国量子计算机再次突破，九章二号和祖冲之二号是什么意思？| 科技袁人

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导读

中国是世界上唯一一个在两条技术路线上实现量子优越性的国家，美国只有超导这一个，而其他国家一个都没有。在这个意义上，中国的量子计算研究世界领先。

2021年10月26日，全国的媒体都在传一个重大新闻：中国的量子计算机研究再次取得突破，比超级计算机快了亿亿亿倍（“比超级计算机快亿亿亿倍！”）！具体而言，是中国科学技术大学潘建伟院士团队的两台量子计算机升级了，“九章”和“祖冲之号”都变成了二号。结论是，我国成了目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

九章二号1

九章二号2

祖冲之二号

咦，这些话是什么意思？什么叫量子计算？什么叫量子计算优越性？什么叫在两种物理体系实现量子计算优越性？实现了这个有什么好处？这话是说中国超越了美国吗？……

对于最后一个问题，可以简短地回答：是的，中国超越了美国。但对其他的技术性问题，就很难三言两语说清楚了。实际上，我最近刚刚出版了一本科普书《量子信息简话》，里面对所有这些问题都有清楚的解释。欢迎大家去订购这本书，看完你就成为量子信息专家了。

《量子信息简话》

我最近特别忙，没来得及第一时间解读这个新闻。然而我知道，每当有量子信息的新闻出来，就会有媒体来采访。果不其然，过了一会环球时报英文版《Global Times》的记者就打过电话来了，我要为他们的专业精神点赞（袁岚峰就“中国研究人员在两条主流路线上取得量子优势”接受环球时报英文版采访 | Global Times）。

今天，我就来抽出时间，稍微解释一下基本图景。

首先，什么叫量子计算？回答是一种新的计算原理，它对某些问题得到结果比传统的计算机快得多。一个典型例子是因数分解，即

21 = 3 × 7，

15 = 3 × 5

这种分解，把一个自然数分解成质因数的乘积。

因数分解是一个传统难题。这话是什么意思呢？当一个数很小的时候，你分解它当然很容易，你不管三七二十一就能分解21。但当一个数很大的时候，比如有几百上千位，分解它就变得很困难。因为我们并没有特别巧妙的算法，用传统计算机分解它需要的时间是随着位数指数上升的。比如说，分解一个300位的数字需要15万年，而分解一个5000位的数字需要50亿年！

然而对于量子计算机来说，因数分解就是个可以快速解决的问题。1994年，有人提出了量子的因数分解算法，它的计算量随着位数的增长要慢得多。同样是分解300位的数字，量子算法会把时间从15万年减到不足一秒钟。分解5000位的数字，量子算法会把时间从50亿年减到2分钟！

现在，大家明白量子计算的威力了吧？

然而，有两点需要强调。

一是量子计算机只是对某些问题超过经典计算机，而不是对所有问题。有些问题经典计算机已经算得很快了，如加减乘除，量子计算机对它们就没有任何优势。所以量子计算机的前景是和经典计算机联用，而不是取代经典计算机。它永远都不会完全取代经典计算机，两者会各自在自己适合的场景使用。

一般人以为的量子计算机

实际的量子计算机

量子计算机与经典计算机联用

二是能够分解大数的量子计算机硬件还没有造出来。我们目前能够用量子算法分解的最大的数是

291311 = 523 × 557，

这是科大的杜江峰院士和彭新华教授等人在2017年实现的。291311只是个六位数，离几百上千位还远。

杜江峰和彭新华等人2017年用量子算法分解291311的论文

实际上，我们目前还没有造出任何一台有实用价值的量子计算机。所以量子计算机的研究状况是，软件先行，硬件是瓶颈。现在各国竞争的主要是硬件。

下一个问题，量子计算优越性是什么意思？它指的是对某个问题，量子计算机超过了最强的经典计算机。

当前最强的经典计算机是什么？是日本的超级计算机“富岳”（Fugaku），它每秒能运行44.2亿亿次浮点运算（超级计算机不是用来打游戏的，而是用来给居民供暖的 | 袁岚峰）。打个比方，富岳一秒钟的计算量，顶得上全世界所有人不眠不休以每秒一次的速度算上两年。由此可见，现在的经典计算机是很强大的，量子计算机要超越经典计算机是很不容易的。

2021年6月的超级计算机TOP500榜单

因此量子计算机一定要挑选一些自己有快速算法而经典计算机只有慢速算法的问题，才能超越经典计算机。这就是为什么量子计算优越性的定义里，要强调是“对某个问题”。

具体而言，此前实现了量子优越性的实验只有两个。

2019年，谷歌用超导体系实现了量子优越性，他们的实验装置叫做“悬铃木”（Sycamore），处理的问题叫做“随机线路取样”（random circuit sampling）。

谷歌论文图1对量子计算机结构的演示

2020年，科大的潘建伟和陆朝阳等人用光学体系实现了量子优越性，他们的实验装置叫做“九章”，处理的问题叫做“高斯玻色子取样”（Gaussian boson sampling）。

九章光量子干涉实物图

2020年12月5日，作者和苑震生教授在九章中介绍九章

这两个问题是什么意思，大家可以去看我的书《量子信息简话》。在这里我们要提醒大家注意的是：每一个量子计算机的实验都需要某种物理体系，超导、光学、离子阱、核磁共振等等。就像经典计算机能用很多种物理体系实现，最初是算盘，后来有机械式计算机，后来有电子管，后来有晶体管，现在是集成电路，量子计算机也能用很多种物理体系实现。现在超导和光学是研究得比较热门的两条技术路线，其他的也都有人在研究。

所以大家见到一个量子计算机的新闻，就可以问两个专业问题：第一，它处理的是什么数学问题？第二，它用的是什么物理体系？专家一听你问这两个问题，就知道你很内行。而如果你问一些不着调的问题，如“量子计算机打游戏会不会卡”，专家一听就知道你完全不懂了！

2021年5月，科大的潘建伟和朱晓波等人发表了一个重要的成果，叫做“祖冲之号”。它跟谷歌的“悬铃木”一样，都属于超导量子计算机。当时CCTV的《共同关注》节目（袁岚峰在央视新闻解读超导量子随机行走计算机“祖冲之号” | 科技袁人）和环球时报英文版（中国团队研制出国际上超导量子比特数最多的62比特量子处理器 | Global Times）采访了我，我告诉了他们这事的意义。祖冲之号在一些指标上超过了悬铃木，例如它的量子比特数是62，多于悬铃木的53。但祖冲之号并没有实现量子优越性，因为它的操控性还不够好。它实际做的，只是展示了量子的二维行走，原理上用这种方法可以实现任何的计算任务。

中国科大成功研制62比特可编程超导量子计算处理器祖冲之号（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74972.htm）

祖冲之号的二维超导量子比特芯片示意图，每个橘色十字代表一个量子比特

有了这些背景，就可以理解最近的突破了：潘建伟、陆朝阳、朱晓波等人把九章和祖冲之号都升级成了二号。九章二号进一步扩大了对经典计算机的优势，而祖冲之二号实现了量子优越性。因此，我们可以宣称中国是世界上唯一一个在两条技术路线上实现量子优越性的国家，美国只有超导这一个，而其他国家一个都没有。在这个意义上，中国的量子计算研究世界领先。

具体而言，九章二号把光子数从原来的最多76升级到了最多113，由此导致对经典计算机的优势从一百万亿倍增加到了一亿亿亿倍。有人问我，为什么不是升级到152，即76翻一番？回答是量子计算机的能力随着光子数的增长不是线性增长，而是指数增长甚至超指数增长，所以每增加一个光子都是很不容易的。

论文数据图 a图表示输出态空间的维度 b图表示光量子计算原型机相比超算的优势倍数

有一个有趣的故事，来自一位量子计算的铁杆反对者，叫做吉尔·凯莱（Gil Kalai），是一位以色列数学家。他曾经认为玻色子取样，即九章做的这个问题，永远不可能实现量子优越性。他的表述是：

“设想有一支外星人的军队，比我们强大得多，降落到地球上，要求我们展示5个光子的玻色子取样，否则就摧毁地球。在这种情况下，我们应该调集我们所有的量子工程力量，尝试实现它。但假如外星人要求的是比如说10个光子的玻色子取样，那么我们最好的选择就是尝试攻击外星人。”

你看，他认为10个光子的玻色子取样都是不可能的！而我们实际做到的是76，现在又成了113！有了这位老兄的flag，你就明白这是多么重大的成就了吧？

吉尔·凯莱

祖冲之二号的进步，是采用全新的倒装焊3D封装工艺，解决了大规模比特集成的问题，实现了66个数据比特、110个耦合比特、11路读取的高密度集成，最大态空间维度达到了10的19次方。所谓态空间维度，就是这个体系里可以允许的基本状态的数目。悬铃木的态空间维度只达到10的13次方，而祖冲之二号达到10的19次方，比它高6个数量级。所以同样是执行随机线路取样这个问题，祖冲之二号的难度比悬铃木要高得多。

在这个前提下，祖冲之二号相对于经典计算机的优势是一千万倍，而悬铃木只有一百倍。也就是说，祖冲之二号对一个更难的问题实现了更高倍数的优势，所以比悬铃木强得多。

量子随机线路取样保真度随线路深度的变化及目前最快的超级计算机“富岳”完成相同任务需要的时间

最后展望一下未来，这些成果有什么用？回答是现在还没有用，但是以它们为基础，下一阶段就会有用。我们希望在比如说五年之内，在特定领域找到有实用价值的应用，例如量子机器学习、量子化学、量子近似优化等。

量子计算机的一个个目标

中国在光学和超导两条技术路线都实现了量子计算优越性，超越了美国，但这远远不是结束，而是开始。量子信息的奇妙世界，等着大家去探索。最后再次向大家推荐我的科普书《量子信息简话》，大家在科大出版社官方微店（https://weidian.com/item.html?itemID=4433614793）或者京东（https://item.jd.com/10038970970840.html）、天猫（https://detail.tmall.com/item.htm?spm=a1z10.3-b-s.w4011-22776463319.30.6f067cc8EoePU4&id=657676176196&rn=41a5f751d476665d282f725d0bcb04b7&abbucket=17&skuId=4925013071459）就可以订购，谢谢支持。

《量子信息简话》

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扩展阅读：

背景简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

责任编辑：杨娜