“祖冲之二号”和“九章二号”来了，我国也因此成为目前世界上唯一在两种物理体系都达到“量子计算优越性”（quantum supremacy）里程碑的国家！
10月25日，中科院量子信息与量子科技创新研究院科研团队在国际知名物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，同日发表了两篇量子计算方面的论文，论文介绍了团队在超导电路和光量子两种系统的量子计算方面取得的重要进展。
其中“祖冲之二号”实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解，在求解该问题上比现有最快的超级计算机快出一千万倍。“九章二号”在处理玻色子取样（boson sampling）问题上，速度比超级计算机更是快出了亿亿亿倍，同时还拥有了更强的硬件编程能力。
“祖冲之二号”示意图丨参考文献[2]
“祖冲之2.0”与“九章2.0”并不只是把1简单换成了2，对于“祖冲之二号”而言，量子优越性的实现标志着量子计算踏入了发展的第二阶段，相关架构为实现通用量子计算奠定了基矗
“九章二号”的“亿亿亿倍”更是刷新了国际上光量子操纵的技术水平。著名量子物理学家、加拿大Calgary大学教授Barry Sanders同时受邀在Physics网站上誊写长篇评述文章，称赞该工作是“令人激动的实验杰作”（dramatic tour de force.....），“令人印象深刻的最前沿的进步”（an impressive advance over the state-of-the-art）。
Barry Sanders的评述丨参考文献[1]
什么是量子计算机？量子计算机为什么厉害？量子优越性又是什么？AI准备了一份友好的简易说明书，你能在这里找到看得懂的答案。
量子计算机是计算机吗？
是，但和我们现在所理解的“电脑”差别很大两者的计算形式不一样，电脑通过电路的开和关进行计算，而量子计算机则是以微观物理系统的量子态作为计算形式。
我们日常用的电脑，不管是屏幕上的图像还是输入的汉字，这些信息在硬件电路里都会转换成 1 和 0（在电路中则表达为“开”和“关”），再进行传输、运算与存储。正是因为这种 0 和 1 的“计算”过程，电脑才被称为“数字计算机”。
世界上第一台电子数字计算设备：阿塔纳索夫-贝瑞计算机 | Wikimedia Commons
量子计算机则以量子力学系统所描述的状态作为计算形式。目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统，不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子或者微观系统。比如“祖冲之号”使用的是超导约瑟夫森结系统，而“九章号”使用的是光量子系统。
为什么量子计算机可以“超快”？
传统的数字电路只有 0 或 1 两种选择，量子计算机使用的粒子则能够同时处于多种状态。以光子为例，光除了亮与灭，其本身有着不同的偏振态，这种偏振态可以表示除了 0 与 1 之外的多组信息，量子计算机因而能够同时承载更多内容。普通的计算机单元一次只能处理一个数据单元，称之为 1 个比特；量子计算机则可以一次处理 1 个“量子比特”，这不仅是0和1的状态，而是一种叠加态，可以简单认为这是包含了多个数据，从而使处理速度大大提升。
自然光在各个方向上振动（如2），通过“偏振片”（如3）的过滤后，仅留下特定方向振动的“偏振光”（如4）| Wikimedia Commons
超级计算机也以处理速度快而著称，但它与量子计算机不一样。超级计算机本质上还是以传统计算机二进制（0 与 1）为基础的，运算速度依然受限于电路的性能，而量子计算机完全属于另一个体系。
量子计算机擅长解决什么问题？
正如上面所说的，量子计算机最大的特点就是计算速度快，太快了。举个例子，小学的时候都学过质因数分解，例如 6 可以分解为 2 和 3 两个质数；但如果数字很大，质因数分解就是一个很难的数学问题。1994 年，为了分解一个 129 位的大数，科学家同时动用了 1600 台高端计算机，花了 8 个月的时间才分解成功；但量子计算机理论上只需 1 秒钟就可以破解。
大数质因数分解是许多安全系统的基础，基于此的加密算法例如互联网应用最广泛的 RSA 加密算法，则可能会因为量子计算机的研制成功而被量子计算Shor算法攻破。
量子计算机需要安装系统吗？
量子计算机本身就是一套“系统”，独立的光学组件提供了硬件，复杂的光路结构则决定了它的“算法”。例如，以光子作为量子比特的量子计算机，需要能够产生光子的单光子源，能够改变光子状态、完成“算法”的特定光路结构，还需要单光子探测器对光子的最终状态进行观测。
光量子计算机原型图 | 墨子沙龙
不过，对于量子计算机的控制，仍然需要通过电脑进行信息的输入和输出。就像下图这样，工作人员在电脑上输入控制指令等数据，数据在量子计算机控制系统中进行复杂的转换和运算，最后得到的结果则会传输回工作人员的普通电脑上。
量子计算机的实际操作过程 | 参考文献[8]
什么是量子计算优越性？
量子计算机的理想状态则是通用量子计算机。这样的量子计算机将被用来解决任何可解的问题，在很多领域会得到广泛应用。然而，目前量子比特数还远远不够，纠错容错技术也不够完善，大大限制了计算能力。所以在这之前，研究者们都在努力达到第一步“量子计算优越性”。
简单来说，只要在某些特定的问题上，采用无需纠错的专用量子计算机（也称量子模拟机），计算（模拟）该问题的能力超越了任何经典计算机，这就叫做“量子计算优越性”（quantum supremacy）。这在之前也被称为“量子霸权”，虽然听起来很有震慑力，但这其实只是量子计算机发展的一个阶段，还没有达到最理想的状态。
目前，世界上的量子计算机研究大多是针对用某个特定的问题。例如“九章号”就是专门用以解决玻色子采样问题，这是用来测试量子计算优越性的热门问题。
通用量子计算机是未来的研究方向 | 墨子沙龙
量子计算机最主要的优势，是能够用物理系统上根本的并行能力，可以同时对大量数据进行处理。“祖冲之”与“九章”在不同体系都实现了“量子计算优越性”，在量子计算领域迈出了重要的一步。
中国科学院院士潘建伟在接受央视采访时提到：下一步我们希望能够通过4到5年的努力实现量子纠错，在使用量子纠错的基础之上，我们就可以来探索用一些专用的量子计算机或者（称作）量子模拟机来解决一些具有重大应用价值的科学问题。
九章二号144模式干涉仪（部分）实验照片丨摄影：马潇汉、杨建瑞、李丰、邓宇皓
参考文献
[1]Quantum Leap for Quantum Primacy.https://physics.aps.org/articles/v14/147
[2]Y. Wu et al., “Strong quantum computational advantage using a superconducting quantum processor,” Phys. Rev. Lett. 127, 180501 (2021).
[3]H.-S. Zhong et al., “Phase-programmable Gaussian boson sampling using stimulated squeezed light,” Phys. Rev. Lett. 127, 180502 (2021).
[4]重磅！我国量子计算优越性研究取得重要进展. 中国科学技术大学官方微信
[5]中国科大成功研制113个光子的“九章二号”量子计算原型机.http://news.ustc.edu.cn/info/1055/77185.htm
[6] 陈明城. 实验光学量子计算[D].中国科学技术大学,2017.
[7] 方粮,刘汝霖,汤振森,隋兵才,池雅庆.量子计算机:量子算法与物理实现[J].计算机工程与科学,2012,34(08):32-43.
[8] 郭光灿,陈以鹏,王琴.量子计算机研究进展[J/OL].南京邮电大学学报(自然科学版),2020(05):1-8[2020-12-04].https://doi.org/10.14132/j.cnki.1673-5439.2020.05.002.
[9] 公众号：墨子沙龙, 经典和量子的算力之争： 中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑
[10] 魏世杰,王涛,阮东,龙桂鲁.量子算法的一些进展[J].中国科学:信息科学,2017,47(10):1277-1299.
作者：Owl，小圆
编辑：麦麦
审稿专家：九维空间
