随着人工智能技术的飞速发展，人类对计算机算力的需求显著增加。2023年，中国科学家发布的“九章三号”量子计算机原型，为解决这一问题提供了一个重要的路径和可能性。

“九章三号”是中国科学技术大学潘建伟院士团队与中国科学院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心共同合作研发的光量子计算机。它可操纵的光子数目为255个，打破了光量子计算机中可控光子数目的世界纪录。

量子计算原型机“九章三号”实验装置（局部示意图）。图片来源：中国科学技术大学

那么，什么是量子计算机？“九章三号”为什么如此重要？为了搞清楚这一点，我们要先从量子计算说起。

量子计算与量子计算机

在传统计算机处理数据的时候，记录信息的最小单位是比特（bit）。一个比特可以记录的信息是0或1其中的一个状态，现在的计算机能完成各种复杂的任务，都是基于这些0和1的逻辑运算。

而在量子计算机中，用来记录信息的最小单位是量子比特（qubit），因为量子存在一些特殊的性质，所以基于量子比特的计算机也拥有一些特殊优势。

比如，量子存在叠加态。

叠加态是说量子在被观测之前，它的状态是不确定的，可以是0和1的叠加状态。这就赋予量子比特能同时表示多种状态的能力。

在传统计算机里，一个比特只能表示0或1中一种状态，而一个量子比特，可以同时表示0和1两个状态。传统计算机里的两个比特，只能表示00，01，10，11四个状态中的一种，而两个量子比特可以同时表示这四种状态。

依此类推，3个量子比特，能够同时表示8种状态，4个量子比特，能同时表示16种状态，n个量子比特，可以表示2的n次方种状态。

另外，量子之间还存在量子纠缠的现象，一个量子的状态变化会瞬间影响另一个量子的状态，这使得量子计算机在处理信息的时候，能在指数级增长的高维空间中进行编码和处理，在进行某些计算的时候，获得强大的并行计算能力，速度可以大大超越传统计算机。

“九章”系列光量子计算机

在实现量子计算机时，有几条不同的技术路径，比如利用超导约瑟夫森电路中的一对超精细能级作为量子比特。而我们国家建立的“九章”系列光量子计算机，则是利用光子状态作为量子比特。

2017年，中国科学技术大学潘建伟院士团队就成功构建了世界上首台超越经典计算机的光量子计算机。

2020年，中科大潘建伟院士团队又和中科院上海微系统所、国家并行计算工程技术研究中心合作，一同构建了具有76个可控光子的“九章”光量子计算机原型。

“九章”首次在国际上实现了光量子计算机的“量子计算优越性”。证明了光量子计算在处理特定复杂问题上具有卓越的能力。而之所以起“九章”这个名字，也是为了纪念中国最早的数学专著《九章算术》。

2021年，能探测113个光子的“九章二号”诞生，它在处理高斯玻色取样这个问题上的能力已经比当时最快的超级计算机快1亿亿亿倍。

而到了2023年10月，“九章三号”原型机成果发布。“九章三号”能够精确操控255个光子，在处理高斯玻色取样问题上的能力比“九章二号”快了一百万倍。如果和目前最快的超级计算机“前沿”（Frontier）相比，“九章三号”在百万分之一秒内能够解决的问题，“前沿”超级计算机需要200亿年的时间。

超越传统计算机的极限

在过去八十多年的时间里，人类一直在研发更先进的计算机，计算机的运算速度确实有了显著提升，也诞生了诸如“前沿”“神威·太湖之光”之类的超计算机。

但传统计算机的算力提升主要是靠增加芯片里的晶体管数量来实现的，而为了提高晶体管信息处理的能效比，需要不断缩小晶体管的尺寸。目前晶体管的尺寸已经达到10nm量级，量子效应已经变得不可忽略。而芯片发热和能耗问题，也可能使传统计算机的算力增长遇到“天花板”。

而随着人工智能的发展，特别是大规模的AI模型训练和应用，对算力需求快速增加。在此背景下，量子计算机凭借其超强的并行计算能力，展现出为未来算力提供飞跃式提升的潜力。此外，在密码破译、组合优化、化学药物开发等方面，量子计算机也可能发挥重要作用。

中国量子计算机未来可期

从“九章”到“九章三号”，中国科学家们不断刷新量子计算机的世界纪录，展示了光量子计算在解决复杂问题上的卓越能力。中国在量子计算领域的研究实力和技术创新能力已经得到了全球认可。

在量子计算机的帮助下，2024年7月，潘建伟院士团队首次成功构建了超越经典计算机的量子模拟器。这是量子计算领域具有里程碑意义的一步，这意味着人类可以利用专用量子模拟机来求解某些重要的科学问题。

相信通过不断地努力和创新，中国在量子计算机领域的成就必将进一步凸显，为人类社会的发展和进步作出更大的贡献，为科技进步和经济发展注入新的动力。

作者：田达玮 科普作者

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