近日(12月3日)，中国科学技术大学宣布，“九章”量子计算原型机问世；据介绍九章量子计算机是由76 个光子构建成的 100 个模式的量子计算原型机，标志着中国在量子计算领域的发展已位列世界顶端。 

据悉，根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍（“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年）。等效地，其速度比去年谷歌发布的 53 个超导比特量子计算原型机“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。

量子科技是国际最为关注的前沿热点之一。如果将传统计算机的速度比作“自行车”，量子计算机的速度则是“飞机”。

什么是量子计算机？

量子就是质量、能量等各种物理量的最小单元，而且它也要以某种粒子状态存在。如果说到能量，比如光，一个光子就是一个量子。

量子计算机是利用量子力学的原理，量子力学可以允许一个物体同时处于多种状态，比如0和1同时存在，它可以做一个原理上叫做并行计算，就是很多个任务可以一起来完成，因此它就有了一种超越经典计算机的计算能力。

据介绍，我国科研团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于 99.5%、通过率优于 98% 的 100 模式干涉线路，相对光程 10-9 以内的锁相精度，高效率 100 通道超导纳米线单光子探测器，成功构建了 76 个光子 100 个模式的高斯玻色取样量子计算原型机 “九章”。

根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机 “富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌去年发布的 53 比特量子计算原型机 “悬铃木”快一百亿倍。同时，通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量，克服了谷歌 53 比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。“九章”输出量子态空间规模达到了 1030（“悬铃木”输出量子态空间规模是 1016，目前全世界的存储容量是 1022）。

中国的“九章”量子计算机和谷歌的Sycamore“悬铃木”有多少差异？

谷歌在“悬铃木”之前推出的是72比特“Bristlecone”(狐尾松)量子芯片， Sycamore总共有142个量子比特，不过有88个量子比特用作耦合器工作，另外有53（有一个是坏的）个量子比特作为逻辑运算！很明显这已经超过了实现量子计算优势的50个量子比特要求，在某些计算上它已经能超过传统计算机！不过“悬铃木”采用的是超导体系，它必须全程在-273.12℃（30mK）的超低温环境下运行，并且在计算随机线路采样问题上，存在样本数量的漏洞。

我国的量子计算机“九章”使用的是光量子计算，和超导体系相比，它更容易实现常温操作，它的原理如下：

光量子计算是通过光学逻辑门进行操作，主要通过光学偏振片实现，而超导方案则是通过射频信号来实现，其次，光学量子计算主要以光子的偏振自由度、角动量等作为量子比特的变化量测对象，而超导量子计算基于约瑟夫森结，可以是 flux 或者 charge 作为量子比特。

和原子、离子、超导电路等类型的量子计算机相比，光量子计算方式运算规模巨大，其最大的优势为可在室温下、空气中运行，能克服量子噪声极限，结构亦相对比较简单，但它的缺点是在量子比特增加上要比超导体系的量子计算机更难。

 “九章”量子计算原型机光路系统原理图

但“九章”量子计算机已经实现了76比特的量子逻辑运算，它的算力有多强？

在室温条件下运行计算玻色采样问题，“九章”处理5000万个样本只需200秒，超级计算机需要6亿年；处理100亿个样本，“九章”只需10小时，超级计算机需要1200亿年，不过宇宙诞生至今不过约137亿年。

而采用超导体系的谷歌“悬铃木”，上文所说的样本数量漏洞就表露无遗，比如在计算随机线路采样问题时，处理100万个样本“悬铃木”只需200秒，但在处理100亿个样本时，“悬铃木”要花上20天，不如经典计算机更快（只需2天）。

量子计算机的比特增加N，它的速度会增加2^N，所以速度是指数级增加的，我们也不用高兴太早，在初期量子霸权的争夺中，彼此之间的技术路线和操控的量子比特差异可能会相差不大，但计算速度会非常恐怖，因为这个指数级别增加表现在速度上就太让人惊讶了！

对此麻省理工学院教授美国青年科学家总统奖得主德克·英格伦评价称：我认为这是一个了不起的成就，这是开发这些中型量子计算机的一个里程碑。