神奇！一分钟跨越一亿年，中国称霸量子科技未来！

原创： 金桥智库
来源微信公众号：王诚说人生
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2020真的是魔幻，永远猜不到明天会发生什么！这就是百年变局，这就是中国的大时代！嫦娥3号还没到家，九章又横空出世了！

在科研领域，我们这一代人听得太多了中国这个领域落后美国多少年，那个领域落后美国多少年的老生常谈。然而，近日中科院潘建伟团队却带给了我们一个巨大的惊喜，中国第一个实现了无争议的量子计算“优越性”。而且这个优越性大到可怕的地步，它运行一分钟可以顶世界上最快的超级计算机富岳号一亿多年，200秒顶6亿年！

潘建伟团队研发的“九章”量子原型机

12月4日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队，与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样

一、什么是“量子优越性”

所谓量子“优越性”（国外也称量子霸权），即是指在特定任务上，量子计算机可以大大超越经典计算机的计算能力了。这个就是发展量子量子计算机的门槛，只有当量子优越性得到体现时，它才有实用价值。

在此之前，谷歌量子AI团队也曾宣称取得了“量子优越性”，并称谷歌将称霸量子科技领域。2019年10月23日，权威杂志《自然》刊出了谷歌量子AI团队的最新科研工作，在持续重金投入研发量子计算13年后，成功地用实验证明“量子优越性”。

该论文报道了谷歌团队基于一个包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器，运行随机量子线路进行采样，耗时约200秒可进行100万次采样，并且估计如果使用当时最强超算Summit来计算得到同样的结果，需耗费约1万年。据此，谷歌宣称实现了“量子霸权”，然而这是有争议的，如今又被中国科学家打破了。

迄今为止人类的计算工具大约经历了三个阶段，第一个阶段是算筹阶段，用算筹（用草竹子或树枝等制作的计算辅助工具）来运算；第二个阶级就是珠算，中国古代发明了算盘，大大加速了中国人（人类）的计算和心算能力；第三个阶段就是电子计算机，也就是我们现在所用的电脑、手机、计算器等等，又比算盘先进快捷了无数倍。

算盘是老祖宗的独创发明制霸人类计算领域数千年，日本近代实业之父涩泽荣一曾把日本的现代化成功归因于《论语》加算盘。

但是这第三个阶段随着摩尔定律走到了极限，已经难以为继了。量子计算才是人类的未来，也就是人类科学计算的第四个阶段。以往的量子计算的优越性只停留在理论上，而今潘建伟团队将它变成了现实，用76个光子的量子计算机原型机“九章”（这个命名旨在纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》）求解数学算法高斯玻色取样只需要200秒，而目前世界上最快的超级计算机富岳号则要用6亿年！

为什么说谷歌的“量子优越性”是有争议的呢？因为“量子优越性”实际上代表了两个方面的竞争，一方面量子芯片的比特数和性能不断扩张，在某些问题上展现出极强的计算能力；另一方面，经典算法和模拟的工程化实现也可以不断优化，提升经典算法的效率和计算能力。所以，如果能够提升经典模拟的能力，那么谷歌的量子设备有可能就无法打败最强超算，从而“称霸”失败。所以谷歌“装逼”就失败了，包括IBM公司和许多科学家都不承认谷歌所谓“量子优越性”。

第一个站出来对谷歌表示不服的正是计算机领域的大佬IBM。我们IBM是世界计算机领域的巨无霸，曾经长期垄断超级计算机技术很多年。IBM犀利指出谷歌对随机量子线路的经典模拟优化做得并不好，如果采用内存和硬盘混合存储方案，模拟53比特、20深度的量子随机线路采样，仅需2.5天。IBM还宣称这只是他们保守的估计。

加拿大卡尔加里大学教授、量子科学和技术研究所所长Barry Sanders也认为，谷歌去年取得的“量子计算优越性”是有争议的。谷歌的结果是，他们拥有一台量子计算机，其性能比其他任何经典计算机都要好。然后，IBM对此提出相反的论点：他们并未完全实现。质疑其是否真正的达到了量子计算优越性。

然而，面对潘建伟团队研发的“九章”所证明的“量子计算优越性”，Barry Sanders则毫不吝啬地称赞：“我认为这是量子计算领域最重要的成果之一。这个实验不存在争论，毫无疑问，该实验取得的结果远远超出了传统机器的模拟能力，实验取得的结果远远超出了传统机器的模拟能力。这个实验技术挑战非常巨大。为了获得此结果，他们必须解决许多非常困难的技术问题。仅仅在技术层面上，他们所取得的成就也令人印象深刻。这是人们梦寐以求的实验，他们做成了，让梦想走进现实。”

也就是说，潘建伟团队以无可争议的实力击败了谷歌，在人类历史上第一次验证了量子优越性，标志着量子计算的一个里程碑式的贡献。具体来说，“九章”量子原型机要比谷歌的“悬铃木”量子原型机快一百亿倍，比当前最快的超级计算机“富岳号”要快一百万亿倍！真的不知道用什么来形容这种神奇的速度，要知道当初电子计算机的原型机刚出来的时候，并不比算盘快多少，不断改进以后才远远超越算盘的。

二、量子计算机为什么这么快？

从前面所说的计算工具发展的几个阶段，算盘比算筹快，电脑比算盘快，这些我们都很好理解，但是量子计算机为什么比电子计算机快呢？而且还能快那么多呢？

这个就是要从量子说起了，量子是物理学中最小的物质和能量单位，它具有波粒二象性，也就是说它既可以是能量状态，又可以是物质粒子的状态，它有很多神奇而不可思议的现象，比如说量子纠缠，我们现在的科学还不能很好的解释，又比如测不准原理，都是很魔幻而神奇的。

神奇的量子纠缠可能意味着远超光速的量子通信

量子计算机之所以比电子计算机快的地方，就在于它可以并行运算。“并行运算”这个词理解起来很复杂，简单地说，就是在电子计算机里面，在计算机算法中可以电子可以是二进制中的0或1，但是却不能同时既是0又是1。也就是说电子计算只能是单行的，因为电子它只是个粒子。

而量子计算机它就不同了，它既是粒子，又是能量，它在计算的时候既可以是二进制中的0，又可以是1！这样一来，量子计算机就可以同时运行更多的任务，从而使运算的速度呈现指数级的提升。就好比雕版印刷与活字印刷一样，雕版是固定的，刻板很费时间；但是活字印刷就不同了，只需要重新排序就成了。

电子计算机与量子计算机

从哲学上来讲，电子计算机运算遵循的是形式逻辑的语言，而量子计算机运算遵循的辩证逻辑的语言。形式逻辑规定了A电子是0，它就不能是1；而在辩证逻辑里面，则允许A量子同时既是0又是1，这速度就大大加速了。所以量子计算机也同时印证了辩证逻辑是比形式逻辑更高级的逻辑，哲学是比科学更高级的科学，马克思诚不欺我也（学过马原的童鞋应该懂得）。

或者我们换一个比方，在电子计算机里面，每一个电子它都是单项专业选手，而在量子计算机里面，每一个量子它都是全能冠军选手。如果把一台计算机比喻成公司，电子或量子比喻成员工，那么别人的公司是单项专业人才，而你的公司却是全能型的冠军人才，那你肯定分分钟要吊打别人的公司，对不对？就是这么个道理。

上图就是九章量子计算机原型机的光路系统原理图。根据现有理论和实验结果，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，也就是说“九章”一分钟完成的任务，全球最快的富岳号超级计算机需要一亿多年。同样地，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。

上图为九章量子计算机原型机工作原理。据潘建伟团队介绍，相比谷歌“悬铃木”，“九章”有三大优势：一是速度更快。虽然算的不是同一个数学问题，但与最快的超算等效比较，“九章”比“悬铃木”快100亿倍。二是环境适应性强。“悬铃木”需要零下273.12摄氏度的运行环境，而“九章”除了探测部分需要零下269.12摄氏度的环境外，其他部分可以在室温下运行。三是弥补了技术漏洞。“悬铃木”只有在小样本的情况下快于超算，“九章”在小样本和大样本上均快于超算。

中国科学技术大学表示，这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性相关论文于 12 月 4 日在线发表在国际学术期刊《科学》。

我们都知道，未来的世界是算力的世界，而量子计算机则是未来世界 的核心技术，第四次工业革命的王冠。在这个重要的领域，中科大潘建伟团队一直在光量子信息处理方面处于国际领先水平：

2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ENIAC）的光量子计算原型机；2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。

这一次“九章”的问世，更是自己的一小步，人类的一大步，量子计算开始从梦想照进现实。如果中国率先掌握了量子计算机的运用技术，中国就能在第四次工业革命中获利压倒性的优势，这是远远超过了5G的伟大科技进步！

三、量子计算机的运用

量子计算机的运用前景十广阔，最终会像电脑取代算盘那样取代我们现在所使用的电子计算机。当然这种取代并不是简单地在计算能力上的取代，它还会开拓许多前所未有的新的领域。这些领域可能穷尽我们现在的头脑，甚至都想像不出来，就好像一百年前使用算盘的人根本就想不到今天还会有智能手机和互联网一样。

从目前来看，我们能想到的量子计算机领域，主要还集中在一些具有重大社会和经济价值的科学研究和社会应用。例如借助于量子计算机超快的并行计算能力，使用特定的算法，我们可以在密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等方面。

从量子计算的路线图来看，第一目标是实现量子优越性，即代表量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有电子计算机的计算能力，这个潘建伟团队的九章已经帮助我们做到了，悬铃木的一百亿倍，富岳号的一百万亿倍，这就是它的战绩。同时，这也是它能成为一个里程碑的突破的原因。

第二个目标，实现量子模拟计算机，即使用经典计算机来模拟某些量子算法，比如可编程等等，这个主要就是要实现量子计算机的小型化、标准化，把先进的量子计算机计算与当下的经典电子计算机技术融合起来，变得更加实用，并大量运用到商业领域，类似于电子计算机的大型机阶段。

第三个目标，就是实现通用量子计算机，也就是把量子计算机缩小到可以个人使用的地步，最终让每个人都能用上量子计算机，从来大量提升全社会的科研和生产效率。这个过程熟悉计算机发展历史的自然会懂得，应该还需要15到20年的时间，也就是说我们这一代人能用上。

因此，在接受媒体采访时，潘建伟就表现，团队的下一个阶段性目标，就是在“九章”量子原型机的基础上，研究团队将通过提高量子比特的操纵精度等一系列技术攻关，力争尽早研制出可编程的通用量子计算原型机。

量子科技有三个领域：量子计算、量子通信和量子检测。如今，在潘建伟团队的率领下，中国科学家已经在量子通信和量子计算领域遥遥领先于世界。一旦中国率先进入了量子时代，那么我们对于世界上其它国家就拥有了降维打击的能力！

比如说我们可以破解敌人的密码，让敌人的导弹变得毫无用处，甚至我们可以遥控修改技术参数和命令指令，让敌人的导弹打不到我们的目标，反而攻击他们自己的目标，实现现实版的移花接木，乾坤大挪移，这样的话，我们就永远立于不败之地。

最近中国科技捷报频传，嫦娥3号探月圆满成功，正载着从月球上挖来的月壤回家，其中一份将放在北京研究，另一份将送到毛主席的故乡，以示缅怀。毛主席当年曾说“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”，而我国的奋斗者号也刚刚深潜到万米深的马里亚纳海沟，并进行了全程直播。

2020年，真是一个神奇的年份，我们不但实现了毛主席九天揽月，五洋捉鳖的梦想，同时我们还收获了更大的惊喜，量子计算机“九章”算一个，还有我们的可控核聚变装置实现持续放电算一个。在人类第四次工业革命 的征途上，我们已经在许多领域走在了美国的前面。如果往后还有谁跟你说，中国这个落后多少年，那个落后多少年，你就回答一个字：“呸！”