原創： 金橋智庫
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2020真的是魔幻，永遠猜不到明天會發生什么！這就是百年變局，這就是中國的大時代！嫦娥3號還沒到家，九章又橫空出世了！

在科研領域，我們這一代人聽得太多了中國這個領域落后美國多少年，那個領域落后美國多少年的老生常談。然而，近日中科院潘建偉團隊卻帶給了我們一個巨大的驚喜，中國第一個實現了無爭議的量子計算“優越性”。而且這個優越性大到可怕的地步，它運行一分鐘可以頂世界上最快的超級計算機富岳號一億多年，200秒頂6億年！

潘建偉團隊研發的“九章”量子原型機

12月4日，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊，與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣

一、什么是“量子優越性”

所謂量子“優越性”（國外也稱量子霸權），即是指在特定任務上，量子計算機可以大大超越經典計算機的計算能力了。這個就是發展量子量子計算機的門檻，只有當量子優越性得到體現時，它才有實用價值。

在此之前，谷歌量子AI團隊也曾宣稱取得了“量子優越性”，并稱谷歌將稱霸量子科技領域。2019年10月23日，權威雜志《自然》刊出了谷歌量子AI團隊的最新科研工作，在持續重金投入研發量子計算13年后，成功地用實驗證明“量子優越性”。

該論文報道了谷歌團隊基于一個包含53個可用量子比特的可編程超導量子處理器，運行隨機量子線路進行采樣，耗時約200秒可進行100萬次采樣，并且估計如果使用當時最強超算Summit來計算得到同樣的結果，需耗費約1萬年。據此，谷歌宣稱實現了“量子霸權”，然而這是有爭議的，如今又被中國科學家打破了。

迄今為止人類的計算工具大約經歷了三個階段，第一個階段是算籌階段，用算籌（用草竹子或樹枝等制作的計算輔助工具）來運算；第二個階級就是珠算，中國古代發明了算盤，大大加速了中國人（人類）的計算和心算能力；第三個階段就是電子計算機，也就是我們現在所用的電腦、手機、計算器等等，又比算盤先進快捷了無數倍。

算盤是老祖宗的獨創發明制霸人類計算領域數千年，日本近代實業之父澀澤榮一曾把日本的現代化成功歸因于《論語》加算盤。

但是這第三個階段隨著摩爾定律走到了極限，已經難以為繼了。量子計算才是人類的未來，也就是人類科學計算的第四個階段。以往的量子計算的優越性只停留在理論上，而今潘建偉團隊將它變成了現實，用76個光子的量子計算機原型機“九章”（這個命名旨在紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》）求解數學算法高斯玻色取樣只需要200秒，而目前世界上最快的超級計算機富岳號則要用6億年！

為什么說谷歌的“量子優越性”是有爭議的呢？因為“量子優越性”實際上代表了兩個方面的競爭，一方面量子芯片的比特數和性能不斷擴張，在某些問題上展現出極強的計算能力；另一方面，經典算法和模擬的工程化實現也可以不斷優化，提升經典算法的效率和計算能力。所以，如果能夠提升經典模擬的能力，那么谷歌的量子設備有可能就無法打敗最強超算，從而“稱霸”失敗。所以谷歌“裝逼”就失敗了，包括IBM公司和許多科學家都不承認谷歌所謂“量子優越性”。

第一個站出來對谷歌表示不服的正是計算機領域的大佬IBM。我們IBM是世界計算機領域的巨無霸，曾經長期壟斷超級計算機技術很多年。IBM犀利指出谷歌對隨機量子線路的經典模擬優化做得并不好，如果采用內存和硬盤混合存儲方案，模擬53比特、20深度的量子隨機線路采樣，僅需2.5天。IBM還宣稱這只是他們保守的估計。

加拿大卡爾加里大學教授、量子科學和技術研究所所長Barry Sanders也認為，谷歌去年取得的“量子計算優越性”是有爭議的。谷歌的結果是，他們擁有一臺量子計算機，其性能比其他任何經典計算機都要好。然后，IBM對此提出相反的論點：他們并未完全實現。質疑其是否真正的達到了量子計算優越性。

然而，面對潘建偉團隊研發的“九章”所證明的“量子計算優越性”，Barry Sanders則毫不吝嗇地稱贊：“我認為這是量子計算領域最重要的成果之一。這個實驗不存在爭論，毫無疑問，該實驗取得的結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力，實驗取得的結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。這個實驗技術挑戰非常巨大。為了獲得此結果，他們必須解決許多非常困難的技術問題。僅僅在技術層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實驗，他們做成了，讓夢想走進現實。”

也就是說，潘建偉團隊以無可爭議的實力擊敗了谷歌，在人類歷史上第一次驗證了量子優越性，標志著量子計算的一個里程碑式的貢獻。具體來說，“九章”量子原型機要比谷歌的“懸鈴木”量子原型機快一百億倍，比當前最快的超級計算機“富岳號”要快一百萬億倍！真的不知道用什么來形容這種神奇的速度，要知道當初電子計算機的原型機剛出來的時候，并不比算盤快多少，不斷改進以后才遠遠超越算盤的。

二、量子計算機為什么這么快？

從前面所說的計算工具發展的幾個階段，算盤比算籌快，電腦比算盤快，這些我們都很好理解，但是量子計算機為什么比電子計算機快呢？而且還能快那么多呢？

這個就是要從量子說起了，量子是物理學中最小的物質和能量單位，它具有波粒二象性，也就是說它既可以是能量狀態，又可以是物質粒子的狀態，它有很多神奇而不可思議的現象，比如說量子糾纏，我們現在的科學還不能很好的解釋，又比如測不準原理，都是很魔幻而神奇的。

神奇的量子糾纏可能意味著遠超光速的量子通信

量子計算機之所以比電子計算機快的地方，就在于它可以并行運算。“并行運算”這個詞理解起來很復雜，簡單地說，就是在電子計算機里面，在計算機算法中可以電子可以是二進制中的0或1，但是卻不能同時既是0又是1。也就是說電子計算只能是單行的，因為電子它只是個粒子。

而量子計算機它就不同了，它既是粒子，又是能量，它在計算的時候既可以是二進制中的0，又可以是1！這樣一來，量子計算機就可以同時運行更多的任務，從而使運算的速度呈現指數級的提升。就好比雕版印刷與活字印刷一樣，雕版是固定的，刻板很費時間；但是活字印刷就不同了，只需要重新排序就成了。

電子計算機與量子計算機

從哲學上來講，電子計算機運算遵循的是形式邏輯的語言，而量子計算機運算遵循的辯證邏輯的語言。形式邏輯規定了A電子是0，它就不能是1；而在辯證邏輯里面，則允許A量子同時既是0又是1，這速度就大大加速了。所以量子計算機也同時印證了辯證邏輯是比形式邏輯更高級的邏輯，哲學是比科學更高級的科學，馬克思誠不欺我也（學過馬原的童鞋應該懂得）。

或者我們換一個比方，在電子計算機里面，每一個電子它都是單項專業選手，而在量子計算機里面，每一個量子它都是全能冠軍選手。如果把一臺計算機比喻成公司，電子或量子比喻成員工，那么別人的公司是單項專業人才，而你的公司卻是全能型的冠軍人才，那你肯定分分鐘要吊打別人的公司，對不對？就是這么個道理。

上圖就是九章量子計算機原型機的光路系統原理圖。根據現有理論和實驗結果，該量子計算系統處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍，也就是說“九章”一分鐘完成的任務，全球最快的富岳號超級計算機需要一億多年。同樣地，其速度比去年谷歌發布的 53 個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

上圖為九章量子計算機原型機工作原理。據潘建偉團隊介紹，相比谷歌“懸鈴木”，“九章”有三大優勢：一是速度更快。雖然算的不是同一個數學問題，但與最快的超算等效比較，“九章”比“懸鈴木”快100億倍。二是環境適應性強。“懸鈴木”需要零下273.12攝氏度的運行環境，而“九章”除了探測部分需要零下269.12攝氏度的環境外，其他部分可以在室溫下運行。三是彌補了技術漏洞。“懸鈴木”只有在小樣本的情況下快于超算，“九章”在小樣本和大樣本上均快于超算。

中國科學技術大學表示，這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優越性相關論文于 12 月 4 日在線發表在國際學術期刊《科學》。

我們都知道，未來的世界是算力的世界，而量子計算機則是未來世界 的核心技術，第四次工業革命的王冠。在這個重要的領域，中科大潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領先水平：

2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機；2019年，團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復雜度相當于48個量子比特的希爾伯特態空間，逼近了“量子計算優越性”。

這一次“九章”的問世，更是自己的一小步，人類的一大步，量子計算開始從夢想照進現實。如果中國率先掌握了量子計算機的運用技術，中國就能在第四次工業革命中獲利壓倒性的優勢，這是遠遠超過了5G的偉大科技進步！

三、量子計算機的運用

量子計算機的運用前景十廣闊，最終會像電腦取代算盤那樣取代我們現在所使用的電子計算機。當然這種取代并不是簡單地在計算能力上的取代，它還會開拓許多前所未有的新的領域。這些領域可能窮盡我們現在的頭腦，甚至都想像不出來，就好像一百年前使用算盤的人根本就想不到今天還會有智能手機和互聯網一樣。

從目前來看，我們能想到的量子計算機領域，主要還集中在一些具有重大社會和經濟價值的科學研究和社會應用。例如借助于量子計算機超快的并行計算能力，使用特定的算法，我們可以在密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等方面。

從量子計算的路線圖來看，第一目標是實現量子優越性，即代表量子計算裝置在特定測試案例上表現出超越所有電子計算機的計算能力，這個潘建偉團隊的九章已經幫助我們做到了，懸鈴木的一百億倍，富岳號的一百萬億倍，這就是它的戰績。同時，這也是它能成為一個里程碑的突破的原因。

第二個目標，實現量子模擬計算機，即使用經典計算機來模擬某些量子算法，比如可編程等等，這個主要就是要實現量子計算機的小型化、標準化，把先進的量子計算機計算與當下的經典電子計算機技術融合起來，變得更加實用，并大量運用到商業領域，類似于電子計算機的大型機階段。

第三個目標，就是實現通用量子計算機，也就是把量子計算機縮小到可以個人使用的地步，最終讓每個人都能用上量子計算機，從來大量提升全社會的科研和生產效率。這個過程熟悉計算機發展歷史的自然會懂得，應該還需要15到20年的時間，也就是說我們這一代人能用上。

因此，在接受媒體采訪時，潘建偉就表現，團隊的下一個階段性目標，就是在“九章”量子原型機的基礎上，研究團隊將通過提高量子比特的操縱精度等一系列技術攻關，力爭盡早研制出可編程的通用量子計算原型機。

量子科技有三個領域：量子計算、量子通信和量子檢測。如今，在潘建偉團隊的率領下，中國科學家已經在量子通信和量子計算領域遙遙領先于世界。一旦中國率先進入了量子時代，那么我們對于世界上其它國家就擁有了降維打擊的能力！

比如說我們可以破解敵人的密碼，讓敵人的導彈變得毫無用處，甚至我們可以遙控修改技術參數和命令指令，讓敵人的導彈打不到我們的目標，反而攻擊他們自己的目標，實現現實版的移花接木，乾坤大挪移，這樣的話，我們就永遠立于不敗之地。

最近中國科技捷報頻傳，嫦娥3號探月圓滿成功，正載著從月球上挖來的月壤回家，其中一份將放在北京研究，另一份將送到毛主席的故鄉，以示緬懷。毛主席當年曾說“可上九天攬月，可下五洋捉鱉”，而我國的奮斗者號也剛剛深潛到萬米深的馬里亞納海溝，并進行了全程直播。

2020年，真是一個神奇的年份，我們不但實現了毛主席九天攬月，五洋捉鱉的夢想，同時我們還收獲了更大的驚喜，量子計算機“九章”算一個，還有我們的可控核聚變裝置實現持續放電算一個。在人類第四次工業革命 的征途上，我們已經在許多領域走在了美國的前面。如果往后還有誰跟你說，中國這個落后多少年，那個落后多少年，你就回答一個字：“呸！”