中國(guó)速度！九章三號(hào)：一微妙計(jì)算，相當(dāng)于最快超算200億年

什么是量子計(jì)算機(jī)

中國(guó)成功研發(fā)出九章三號(hào)，光量子原型機(jī)，此舉意味著什么？假設(shè)我在一個(gè)迷宮里，但是迷宮只有一個(gè)出口，按照平常的情況，除非運(yùn)氣好，不然，我需要嘗試無(wú)數(shù)次，甚至都走不出迷宮。

【資料圖】

但是在量子世界中，我卻擁有了無(wú)數(shù)個(gè)分身，每個(gè)分身都去探索一條線路，這樣，我能夠以最快的速度找到迷宮的出口，這就是量子計(jì)算機(jī)和普通計(jì)算機(jī)的區(qū)別。

2023年10月11日，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，宣布成功構(gòu)建255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”。

一微妙的計(jì)算相當(dāng)于超算200億年

這項(xiàng)成果再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問(wèn)題比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一億億倍，在研制量子計(jì)算機(jī)之路上邁出重要一步。

這是繼2019年中國(guó)科學(xué)家在量子霸權(quán)方面取得突破性進(jìn)展后的又一重大成就。當(dāng)時(shí)，中國(guó)科學(xué)家利用76個(gè)光子的“九章”量子計(jì)算原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了比超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍的高斯玻色取樣任務(wù)。

而“九章三號(hào)”則將光子數(shù)提升到了255個(gè)，輸出態(tài)空間維度達(dá)到了10的43次方，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，約相當(dāng)于全球最快的超算200億年。

這意味著我國(guó)在光量子計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，展示了中國(guó)科技創(chuàng)新和自主研發(fā)的強(qiáng)大能力和信心。這也為解決人類(lèi)面臨的一些重大挑戰(zhàn)和難題提供了新的可能和希望，如加速藥物開(kāi)發(fā)、優(yōu)化交通規(guī)劃、提升密碼安全、探索宇宙奧秘等。

什么是量子計(jì)算機(jī)，光量子計(jì)算機(jī)有哪些用途？

量子計(jì)算機(jī)是一種利用量子力學(xué)原理進(jìn)行信息處理和計(jì)算的新型計(jì)算機(jī)。它與傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)有很大的不同。經(jīng)典計(jì)算機(jī)使用比特作為信息的基本單位，每個(gè)bit只能表示0或1兩種狀態(tài)。

而量子計(jì)算機(jī)使用量子比特作為信息的基本單位，每個(gè)量子比特可以同時(shí)表示0和1兩種狀態(tài)，或者說(shuō)是0和1的疊加態(tài)。這就使得量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處理多個(gè)信息，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算和指數(shù)加速。

光量子計(jì)算機(jī)是一種基于光子（光的粒子）作為載體和操縱對(duì)象的量子計(jì)算機(jī)。它有以下優(yōu)點(diǎn)：

光子具有很好的相干性和穩(wěn)定性，不易受外界干擾，可以保持較長(zhǎng)時(shí)間的量子疊加態(tài)；光子可以實(shí)現(xiàn)高效率和高精度的單光子源、單光子探測(cè)器、多光子干涉等關(guān)鍵技術(shù)；光子可以方便地與其他物理系統(tǒng)進(jìn)行耦合和交換信息，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的量子網(wǎng)絡(luò)和通信。

光量子計(jì)算機(jī)有很多潛在的用途

量子模擬：利用光量子計(jì)算機(jī)模擬一些復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物等系統(tǒng)的行為和性質(zhì)，如分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)、生物分子等，從而加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新。

量子優(yōu)化：利用光量子計(jì)算機(jī)求解一些難以用經(jīng)典算法高效解決的優(yōu)化問(wèn)題，如旅行商問(wèn)題、機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題、組合優(yōu)化問(wèn)題等，從而提升運(yùn)籌規(guī)劃和決策支持的能力。

量子密碼：利用光量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)一些安全性更高的密碼方案，如量子密鑰分發(fā)、量子數(shù)字簽名、量子安全多方計(jì)算等，從而保障信息的保密性和完整性。

量子人工智能：利用光量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)一些超越經(jīng)典人工智能的功能，如量子機(jī)器學(xué)習(xí)、量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、量子圖像處理等，從而提升智能系統(tǒng)的性能和效率。

為什么人類(lèi)迫切需要研發(fā)量子計(jì)算機(jī)？

人類(lèi)迫切需要研發(fā)量子計(jì)算機(jī)的原因有以下幾點(diǎn)：經(jīng)典計(jì)算機(jī)的極限，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)計(jì)算能力的需求越來(lái)越大，但經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)接近其物理極限，無(wú)法滿足一些復(fù)雜和重要的問(wèn)題的求解。例如，目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法模擬一個(gè)含有幾十個(gè)電子的分子的行為，也無(wú)法破解一些強(qiáng)大的密碼系統(tǒng)。而量子計(jì)算機(jī)則可以突破這些限制，實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的加速。

量子科學(xué)的進(jìn)步：隨著量子力學(xué)和量子信息學(xué)的深入研究，人類(lèi)對(duì)量子世界的認(rèn)識(shí)和掌握不斷提高，為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。例如，人類(lèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單光子源、單光子探測(cè)器、多光子糾纏等關(guān)鍵技術(shù)，為構(gòu)建光量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

社會(huì)需求的驅(qū)動(dòng)：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)面臨著許多重大挑戰(zhàn)和難題，需要借助更強(qiáng)大的計(jì)算工具來(lái)解決。例如，新型藥物的開(kāi)發(fā)需要模擬復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)過(guò)程，交通規(guī)劃需要優(yōu)化龐大的路網(wǎng)和車(chē)輛流動(dòng)，信息安全需要防范日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊，宇宙探索需要處理海量的天文數(shù)據(jù)等。而量子計(jì)算機(jī)則可以為這些問(wèn)題提供新的解決方案和可能。

量子計(jì)算機(jī)是如何運(yùn)作的，和普通的計(jì)算機(jī)以及超級(jí)計(jì)算機(jī)有啥區(qū)別？

量子比特：是量子計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和處理信息的基本單位。它可以是一個(gè)原子、一個(gè)電子、一個(gè)光子或者其他具有兩個(gè)可區(qū)分狀態(tài)（如自旋向上或向下）的微觀粒子。不同于經(jīng)典比特只能表示0或1兩種狀態(tài)，量子位可以同時(shí)表示0和1兩種狀態(tài)，或者說(shuō)是0和1的疊加態(tài)。

量子門(mén)：是量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和信息處理的基本元件。它可以對(duì)一個(gè)或多個(gè)量子位進(jìn)行操作，改變其狀態(tài)或者實(shí)現(xiàn)兩個(gè)量子位之間的相互作用。例如，一個(gè)哈達(dá)瑪門(mén)可以將一個(gè)確定的量子位變成一個(gè)疊加態(tài)的量子位，或者將一個(gè)疊加態(tài)的量子位變成一個(gè)確定的量子位。

量子算法：是量子計(jì)算機(jī)中執(zhí)行特定任務(wù)或者求解特定問(wèn)題的一系列步驟和規(guī)則。它由一些量子門(mén)和測(cè)量操作組成，利用量子力學(xué)的一些特性，如疊加、糾纏、干涉等，來(lái)實(shí)現(xiàn)比經(jīng)典算法更快或者更優(yōu)的結(jié)果。

量子測(cè)量：是量子計(jì)算機(jī)中獲取輸出結(jié)果或者觀察系統(tǒng)狀態(tài)的過(guò)程。它會(huì)導(dǎo)致量子位從疊加態(tài)塌縮到某個(gè)確定的狀態(tài)，即0或1，并且這個(gè)過(guò)程是不可逆的。不同于經(jīng)典測(cè)量可以多次重復(fù)并且不影響系統(tǒng)狀態(tài)，量子測(cè)量只能進(jìn)行一次并且會(huì)破壞系統(tǒng)狀態(tài)。

為什么量子加密無(wú)法被破解

為什么量子計(jì)算機(jī)與普通計(jì)算機(jī)有著巨大的差異呢？原因就在于量子的行為，使用量子計(jì)算機(jī)加密的密碼，是無(wú)法被破解的，因?yàn)檫@段加密的密碼，涵蓋了量子的多種特性。

量子不確定性：根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，對(duì)一個(gè)量子系統(tǒng)的測(cè)量會(huì)影響其狀態(tài)，而且不能同時(shí)精確地知道兩個(gè)互為共軛的物理量，如位置和動(dòng)量。這意味著如果有人試圖竊聽(tīng)或復(fù)制一個(gè)量子信號(hào)，就會(huì)改變其狀態(tài)，從而被發(fā)現(xiàn)和拒絕。

量子糾纏：兩個(gè)糾纏的量子系統(tǒng)會(huì)保持一種神秘的關(guān)聯(lián)，即使它們相隔很遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量會(huì)影響另一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)。這意味著如果有人試圖干擾或修改一個(gè)糾纏的量子信號(hào)，就會(huì)破壞其與另一個(gè)信號(hào)的關(guān)聯(lián)，從而被發(fā)現(xiàn)和拒絕。

量子隨機(jī)性：根據(jù)波函數(shù)塌縮的概念，當(dāng)對(duì)一個(gè)處于疊加態(tài)的量子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，它會(huì)以一定的概率塌縮到某個(gè)確定的狀態(tài)。這意味著如果有人試圖預(yù)測(cè)或控制一個(gè)量子信號(hào)的狀態(tài)，就會(huì)面臨不可克服的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性。

可以看出，使用量子計(jì)算機(jī)制作的密碼，是基于物理定律而不是數(shù)學(xué)難題來(lái)保證安全性的。任何試圖破解或攻擊這種密碼的行為，都會(huì)被物理定律所限制和阻止。因此，使用量子計(jì)算機(jī)制作的密碼，無(wú)法被破解。

本文總結(jié)

《九章算術(shù)》是我國(guó)古代一部偉大的數(shù)學(xué)巨著，而我們的量子計(jì)算機(jī)名字則來(lái)源于《九章》，隨著九章三號(hào)原型機(jī)的橫空出世，未來(lái)我們的量子計(jì)算機(jī)將會(huì)變得越來(lái)越強(qiáng)大。在面對(duì)著人類(lèi)未來(lái)面對(duì)的無(wú)數(shù)的數(shù)學(xué)、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)等難題，量子計(jì)算機(jī)就像一把鋒刃的利劍，可以刺穿這一切的困難。

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