“祖沖之二號”和“九章二號”來了，我國也因此成為目前世界上唯一在兩種物理體系都達到“量子計算優越性”（quantum supermacy）里程碑的國家！
10月25日，中科院量子信息與量子科技創新研究院科研團隊在國際知名物理學期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，同日發表了兩篇量子計算方面的論文，論文介紹了團隊在 超導電路和 光量子兩種系統的量子計算方面取得的重要進展。
其中“祖沖之二號”實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解，在求解該問題上 比現有最快的超級計算機快出一千萬倍。“九章二號”在處理玻色子取樣（boson sampling）問題上，速度比超級計算機更是 快出了億億億倍，同時還擁有了更強的硬件編程能力。
“祖沖之二號”示意圖丨參考文獻[2]
“祖沖之2.0”與“九章2.0”并不只是把1簡單換成了2，對于“祖沖之二號”而言，量子優越性的實現 標志著量子計算踏入了發展的第二階段，相關架構為實現通用量子計算奠定了基礎。
“九章二號”的“億億億倍”更是 刷新了國際上光量子操縱的技術水平。著名量子物理學家、加拿大Calgary大學教授Barry Sanders同時受邀在Physics網站上謄寫長篇評述文章，稱贊該工作是 “令人激動的實驗杰作”（dramatic tour de force.....）， “令人印象深刻的最前沿的進步”（an impressive advance over the state-of-the-art）。
Barry Sanders的評述丨參考文獻[1]
什么是量子計算機？量子計算機為什么厲害？量子優越性又是什么？ AI準備了一份友好的簡易說明書，你能在這里找到看得懂的答案 。
量子計算機是計算機嗎？
是，但和我們現在所理解的“電腦”差別很大—— 兩者的計算形式不一樣，電腦通過電路的開和關進行計算，而量子計算機則是以微觀物理系統的量子態作為計算形式。
我們日常用的電腦，不管是屏幕上的圖像還是輸入的漢字， 這些信息在硬件電路里都會轉換成 1 和 0（在電路中則表達為“開”和“關”），再進行傳輸、運算與存儲。正是因為這種 0 和 1 的“計算”過程，電腦才被稱為“數字計算機”。
世界上第一臺電子數字計算設備：阿塔納索夫-貝瑞計算機 | Wikimedia Commons
量子計算機則以量子力學系統所描述的狀態作為計算形式。目前的量子計算機使用的是如原子、離子、光子等物理系統，不同類型的量子計算機使用的是不同的粒子或者微觀系統。比如“祖沖之號”使用的是超導約瑟夫森結系統，而“九章號”使用的是光量子系統。
為什么量子計算機可以“超快”？
傳統的數字電路只有 0 或 1 兩種選擇， 量子計算機使用的粒子則能夠同時處于多種狀態。以光子為例，光除了亮與滅，其本身有著不同的偏振態，這種偏振態可以表示除了 0 與 1 之外的多組信息，量子計算機因而能夠同時承載更多內容。普通的計算機單元一次只能處理一個數據單元，稱之為 1 個比特；量子計算機則可以一次處理 1 個“量子比特”，這不僅是0和1的狀態，而是一種疊加態，可以簡單認為這是 包含了多個數據，從而使處理速度大大提升。
自然光在各個方向上振動（如2），通過“偏振片”（如3）的過濾后，僅留下特定方向振動的“偏振光”（如4）| Wikimedia Commons
超級計算機也以處理速度快而著稱，但它與量子計算機不一樣。超級計算機本質上還是以傳統計算機二進制（0 與 1）為基礎的，運算速度依然受限于電路的性能，而量子計算機完全屬于另一個體系。
量子計算機擅長解決什么問題？
正如上面所說的，量子計算機最大的特點就是計算速度快，太快了。舉個例子，小學的時候都學過 質因數分解，例如 6 可以分解為 2 和 3 兩個質數；但如果數字很大，質因數分解就是一個很難的數學問題。1994 年，為了分解一個 129 位的大數，科學家同時動用了 1600 臺高端計算機，花了 8 個月的時間才分解成功； 但量子計算機理論上只需 1 秒鐘就可以破解。
大數質因數分解是許多安全系統的基礎，基于此的加密算法——例如互聯網應用最廣泛的 RSA 加密算法，則可能會 因為量子計算機的研制成功而被量子計算Shor算法攻破。
量子計算機需要安裝系統嗎？
量子計算機本身就是一套“系統”，獨立的光學組件提供了硬件， 復雜的光路結構則決定了它的“算法”。例如，以光子作為量子比特的量子計算機，需要能夠產生光子的單光子源，能夠改變光子狀態、完成“算法”的特定光路結構，還需要單光子探測器對光子的最終狀態進行觀測。
光量子計算機原型圖 | 墨子沙龍
不過，對于量子計算機的控制，仍然 需要通過電腦進行信息的輸入和輸出。就像下圖這樣，工作人員在電腦上輸入控制指令等數據，數據在量子計算機控制系統中進行復雜的轉換和運算，最后得到的結果則會傳輸回工作人員的普通電腦上。
量子計算機的實際操作過程 | 參考文獻[8]
什么是量子計算優越性？
量子計算機的 理想狀態則是通用量子計算機。這樣的量子計算機將被用來解決任何可解的問題，在很多領域會得到廣泛應用。然而，目前量子比特數還遠遠不夠，糾錯容錯技術也不夠完善，大大限制了計算能力。所以在這之前，研究者們都在努力達到第一步—— “量子計算優越性”。
簡單來說，只要在某些特定的問題上，采用無需糾錯的專用量子計算機（也稱量子模擬機），計算（模擬）該問題的能力超越了任何經典計算機，這就叫做“量子計算優越性”（quantum supermacy）。這在之前也被稱為 “量子霸權”，雖然聽起來很有震懾力，但這其實只是量子計算機發展的一個階段，還沒有達到最理想的狀態。
目前，世界上的量子計算機研究大多是 針對用某個特定的問題。例如“九章號”就是專門用以解決玻色子采樣問題，這是用來測試量子計算優越性的熱門問題。
通用量子計算機是未來的研究方向 | 墨子沙龍
量子計算機最主要的優勢，是能夠用物理系統上根本的并行能力，可以同時對大量數據進行處理。“祖沖之”與“九章”在不同體系都實現了“量子計算優越性”，在量子計算領域邁出了重要的一步。
中國科學院院士潘建偉在接受央視采訪時提到：下一步我們希望能夠通過4到5年的努力實現量子糾錯，在使用量子糾錯的基礎之上，我們就可以來探索用一些專用的量子計算機或者（稱作）量子模擬機來 解決一些具有重大應用價值的科學問題。來源：果殼網
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