瞬息中見(jiàn)中國(guó)算力！這個(gè)計(jì)算機(jī)的名字，出自《九章算術(shù)》

科技立則民族立，科技強(qiáng)則國(guó)家強(qiáng)。

2023年，我國(guó)科技創(chuàng)新迎來(lái)眾多高光時(shí)刻：國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919完成首次商業(yè)載客飛行，“九章三號(hào)” 刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄，首個(gè)海上二氧化碳封存示范工程投用，空間站進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展新階段，首艘國(guó)產(chǎn)大型郵輪命名交付......

2024年開(kāi)年之際，數(shù)字北京科學(xué)中心特策劃“科技新突破”欄目，盤(pán)點(diǎn)2023年在黨的領(lǐng)導(dǎo)下所取得的科技成果。

計(jì)算是一門(mén)古老的學(xué)問(wèn)，中國(guó)的《九章算術(shù)》是世界最早系統(tǒng)闡述分?jǐn)?shù)運(yùn)算、正負(fù)數(shù)運(yùn)算的著作。幾千年過(guò)去，人們對(duì)計(jì)算的需求早就脫離了普通的加減乘除。計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的速度和計(jì)算量得到了指數(shù)級(jí)的提升，算力的提升更是與現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)。

圖為光量子干涉實(shí)物圖。左下方為輸入光學(xué)部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個(gè)光學(xué)模式，分別通過(guò)低損耗單模光纖與100超導(dǎo)單光子探測(cè)器連接。

來(lái)源丨見(jiàn)水印

2023年10月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，成功構(gòu)建255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”，再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄，在處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號(hào)”提升一百萬(wàn)倍，“九章三號(hào)”1微秒可算出的最復(fù)雜樣本，當(dāng)前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“前沿”（Frontier）約需200億年。

什么是量子計(jì)算機(jī)？

量子計(jì)算機(jī)的概念由費(fèi)曼提出，它在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可通過(guò)特定量子算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問(wèn)題模擬計(jì)算方面實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。因而，研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。

想要知道量子計(jì)算機(jī)有多厲害，我們先來(lái)了解一些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)。量子在物理學(xué)中，量子是所有物理特性的最小離散單元。它通常指原子或亞原子粒子，如電子、中微子和光子。量子比特量子比特是量子計(jì)算中的基本信息單位。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特是二進(jìn)制，只能存放 0 或 1 ，但量子比特可以存放所有可能狀態(tài)的疊加。疊加我們正常狀態(tài)下只能看見(jiàn)一枚硬幣的正面或反面，而量子粒子的狀態(tài)一直在波動(dòng)，即包括硬幣正、反和交替的狀態(tài)，直到被觀察和測(cè)量，這就是處于疊加態(tài)。糾纏糾纏是量子粒子將其測(cè)量結(jié)果相互關(guān)聯(lián)的能力。當(dāng)量子比特相互糾纏時(shí)，它們構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)并相互影響。增加量子粒子數(shù)量或糾纏，就可以讓計(jì)算機(jī)處理更復(fù)雜的問(wèn)題。量子干擾量子干擾是量子比特固有的行為，由于疊加而影響其坍縮方式的可能性。量子計(jì)算機(jī)需要盡可能減少干擾，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖為光量子干涉示意圖。

來(lái)源丨見(jiàn)水印

量子計(jì)算利用量子力學(xué)的獨(dú)特行為（如疊加、糾纏和量子干擾）并將其應(yīng)用于計(jì)算。

為什么九章三號(hào)能這么快？

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是由電子元器件組成，因此它的運(yùn)算速度和能力原則上是存在“天花板”的，但量子計(jì)算機(jī)理論上不存在。

量子計(jì)算的運(yùn)算邏輯和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基于二進(jìn)制進(jìn)行邏輯運(yùn)算，每個(gè)晶體管相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)表示0和1。每次運(yùn)算只能處理一位信息，信息量越大，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。而量子計(jì)算機(jī)采用量子比特，它利用量子力學(xué)特性（疊加態(tài)和糾纏態(tài)）實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。

“九章三號(hào)”光量子計(jì)算機(jī)

來(lái)源丨新華社

項(xiàng)目牽頭人陸朝陽(yáng)教授說(shuō)：“量子計(jì)算的一個(gè)重要特性是，隨著可操縱的量子數(shù)量增多，運(yùn)算能力呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。好比走迷宮，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)每次只能選擇一條路去嘗試，如果失敗了，就只能從頭再來(lái)。但是量子計(jì)算機(jī)走迷宮，就好比同時(shí)有10個(gè)人一起嘗試不同的路，瞬間就把所有可能都嘗試一遍，很快就能找到那條正確的路?！?/p>

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖來(lái)源|吉林日?qǐng)?bào)

“九章二號(hào)”可操縱113個(gè)光子，“九章三號(hào)”可操縱255個(gè)光子，但“九章三號(hào)”運(yùn)算能力的提升并不是2.26倍（255除以113得到），而是100萬(wàn)倍。

“九章三號(hào)”從結(jié)構(gòu)上分為受激量子光源、超低損耗的量子光路、時(shí)空解復(fù)用的光纖環(huán)以及超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器四大部分，較“九章二號(hào)”最大的升級(jí)在于“時(shí)空解復(fù)用的光纖環(huán)”技術(shù)。

“九章二號(hào)”無(wú)法解析光子具體數(shù)量，光纖環(huán)的應(yīng)用能夠大幅度提高光子的操縱水平。與此同時(shí)，受激量子光源也是目前世界上損耗率最低、模式數(shù)最多的，這些創(chuàng)新提升了光子的數(shù)量和品質(zhì)，以及計(jì)算的復(fù)雜度。

量子計(jì)算機(jī)未來(lái)能做什么？

由于量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力與超大的計(jì)算量，科學(xué)家們期待量子計(jì)算機(jī)能夠支持破譯密碼、大數(shù)據(jù)分析、藥物分析、天氣預(yù)報(bào)、材料分析等高精尖領(lǐng)域更大更復(fù)雜的計(jì)算要求。現(xiàn)代科技需要對(duì)更多更復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)可能需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源才能得出結(jié)果，甚至可能無(wú)法滿(mǎn)足計(jì)算需求，但要實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用性的通用量子計(jì)算機(jī)，還有很長(zhǎng)的路要走。

當(dāng)前，國(guó)際量子計(jì)算研究呈加速態(tài)勢(shì)，量子計(jì)算成為全球各國(guó)科研和戰(zhàn)略布局的重點(diǎn)，包括IBM、谷歌等在內(nèi)的科技巨頭不斷加碼，各國(guó)政府和行業(yè)也正加速對(duì)量子計(jì)算的研發(fā)投資和政策扶持。九章團(tuán)隊(duì)也表示，期待這次突破能激發(fā)科學(xué)界更多關(guān)于經(jīng)典算法模擬的研究，逐步解決各種科學(xué)和工程挑戰(zhàn)，加快實(shí)現(xiàn)通用型量子計(jì)算機(jī)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

內(nèi)容綜合自：光明日?qǐng)?bào)、人民日?qǐng)?bào)、新華社新媒體、《瞭望》新聞周刊、吉林日?qǐng)?bào)、封面新聞