中國「九章三號」量子計算機世界領先

一、量子計算機的實用價值

   相對論及量子力學是近代物理的兩大支柱，量子力學可解釋許多自然現象也有許多用途，量子有疊加與糾纏兩個重要性質。在量子世界中是不確定的，可以有部分機率是一種狀態，同時也有部分機率在另外的狀態，這樣的性質就是量子疊加，在古典物理中，一個系統只能處於一種物理狀態，就好比傳統計算機的記憶體位元只能處於0或1狀態，在實際測量量子狀態之前，我們無從得知系統是處於那種狀態。糾纏是數個量子態之間的奇妙連結，量子計算便是以糾纏和疊加來計算開始的始初態，之後便以量子閘來執行量子演算法所需的運作。量子演算可以快速進行的原因是因為糾纏與疊加量子位元後所造成的量子狀態運作時是平行運算，這是量子霸權的技術與科學基礎。量子計算機為什麼遠勝過超級計算機，因為傳統計算機都是照一定規則處理“0、1”二進制數據。所有文字、圖片、視頻等信息，在計算機中都用“0、1”數據來表示。每一位0或者1都被稱為一個比特，在傳統計算機中，一個比特在某次計算中要麼是0，要麼是1，只能表示為一個狀態。量子疊加態是指粒子可以存在於疊加態中，能同時擁有兩個相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。用量子來做計算機的比特，則一個“量子比特”可以同時既為1，也為0。以10個比特為例，傳統計算機一次只能表示0至1023這1024個數中的某一個數，若這10個比特為量子比特，則每一個比特都可同時表示為0和1，這10個比特可以同時表示1024個數，遠遠高於傳統計算機只能表示一個數。因此，量子計算機將能夠極大地提昇運算能力，量子計算機將可助於核試爆、高新技術武器模擬和等軍事領域之計算，在民生領域，如氣候預測、疾病醫療、石油勘測也有很大助益，所以全世界都想掌握量子計算機。 

有人認為量子電腦只能解決特定問題用途不大，其實不然。1943年，世界上第一台電腦誕生時，這個一噸重的大傢伙，每秒5000次算力震驚了當時的人們。然而，現在一部智慧型手機的算力總和已超過當年整個「阿波羅」登月計畫的算力總和。傳統電腦是依靠晶片中矽電晶體的指數級增長，來實現算力增強的。然而，今天電晶體的小尺寸已逼近物理極限，計算速度將「碰到天花板」。我們把現今全球所有電腦的算力加在一起，一年裡都無法完成「2的90次方」個資料的窮舉搜尋。一方面，是傳統運算模式受到嚴重限制；另一方面，是隨著社會發展，資料呈指數級增長，對運算能力的需求也隨之飛速增長。有些問題之所以無法解決，就是因為算力不夠。例如，密碼破解問題，傳統計算機不是算不出，而是因為算的時間太長。分解一個300位元大數，一兆次傳統電腦需要算15萬年，而一台萬億次量子電腦只需一秒鐘。此外，作為量子計算原型機的“九章”，其強大算力可初步用於量子化學以及一些數學難題的研究，甚至也可用於機器學習的一些研究，在解決傳統難題上能做一些有效探索。目前，“九章”只是“單項冠軍”，但它將在更多領域的探索中，體現出更多應用價值。「九章」的出色表現，為未來實現「可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機」奠定了技術基礎。潘建偉、陸朝陽團隊認為，未來開發的通用量子計算機，能夠解決許多廣泛的問題。例如氣象預報、金融分析、材料設計、藥物分析等，皆具有實用價值。同時，也可用於探索物理學、生物學、化學領域的一些複雜問題。 

二、「九章三號」量子運算原型機問世領先全球

   依據新華社報導，10月11日「九章三號」量子運算原型機問世，中國科研團隊宣布，成功建構量子計算原型機“九章三號”，再度刷新光量子資訊技術世界紀錄。九章三號」求解高斯玻色取樣數學問題的速度比目前全球最快的超級電腦快一億億倍。這是繼2020年實現「量子優越性」後，中國科研團隊再次確立量子算力的新里程碑。根據中國科學技術大學消息，255個光子的「九章三號」量子計算原型機由潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統與資訊科技研究所、國家並行電腦工程技術研究中心合作建置。當天，國際知名學術期刊《物理評論快報》也發表了這項科學研究成果。量子運算是一種遵循量子力學規律調控量子資訊單元進行計算的新型運算模式，1981年，諾貝爾獎得主理查‧費曼首先提出了量子運算機構想。「九章」則得名於中國古代數學專著《九章算術》，這本書總結了戰國、秦、漢時期的數學成就。國際學術界通常對量子計算的實驗發展制定“三步走”的路線圖，其中第一步就是實現“量子優越性”，即通過高精度地操縱近百個物理比特，高效求解超級計算機無法在合理時間內解決的特定高複雜度數學問題。「『量子優越性』像個門檻，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明其未來有多方超越的可能。」中國科大教授陸朝陽說，多年來國際學界高度關注、期待這個里程碑轉折點到來。

     2019年，美國Google公司研發出53個量子比特的電腦“懸鈴木”，在全球首次實現“量子優越性”。2020年，潘建偉團隊建構76個光子的量子計算原型機，取名為「九章」，使中國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。2021年，該團隊又成功研發113個光子的「九章二號」和66比特的「祖沖之二號」量子運算原型機，使中國成為唯一在光學和超導兩條技術路線都實現量子優越性的國家。這次最新發布的「九章三號」首次實現了對255個光子的操縱能力，大大提升了計算的複雜度。根據業界公開的最優演算法，「九章三號」處理高斯玻色取樣的速度比「九章二號」提升一百萬倍，「九章三號」1微秒可算出最複雜的樣本，目前全球最快的超級電腦「前沿」約200億年。高斯玻色取樣是一個計算機率分佈的演算法，可用於編碼和求解多種問題，需要極大的運算量。「'九章三號'較'九章二號'最大的升級就在於'時空解復用的光纖環'上，過去的'九章二號'無法解析光子具體數量，光纖環的應用能夠大幅度提高光子的操縱水準。」陸朝陽說，同時，受激量子光源也是目前世界上損耗率最低、模式數最多的，提高了光子數和品質，提升了計算的複雜度。“量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力，可望通過特定算法在密碼破譯、大數據優化、天氣預報、材料設計、藥物分析等領域，提供比傳統計算機更強的算力支持。”潘建偉說。目前，國際量子運算研究呈現加速態勢，量子運算成為全球各國科研和戰略佈局的重點，包括IBM、Google等在內的科技巨頭不斷加碼，各國政府和產業也正加速對量子運算的研發投資和政策扶持。

三、中美科技鬥爭中量子計算機戰場

    近年來，美國面臨許多衰敗現象，美國為求確保世界霸權地位，不惜全面圍剿中國大陸，美國目前贏過中國的項目目前只剩核武器及部分高科技，因此科技競爭將成為主戰場。中國在量子科技方面領先世界，中美在量子計算機、量子武器及量子通訊的競爭相當激烈。中國大陸非常重視量子計算機的研究，2016年“十三五”國家科技創新規劃中，將量子通信與量子計算機列入“科技創新重大項目，2017年，量子通信與量子計算機被列為“事關未來發展的重大科技戰略任務”的首位。中國團隊最近展示擁有世界上最強大的量子計算機，超越了之前的記錄保持者谷歌。中科大的潘建偉團隊說，他們的量子計算機在一個多小時內解決了一個問題，這個問題可能需要世界上最強大的經典超級計算機八年才能破解，此聲明引起了美國的恐懼輸掉“量子競賽”。中國在整個量子技術領域擁有更多的專利總量，但美國公司在量子計算專利方面遙遙領先。中國的量子研究幾乎完全是國家驅動的，集中在少數大學和公司。相比之下，美國的研究分佈在數十所大學和私營公司。福布斯雜誌報導，習近平主席資助了一個價值數十億美元的量子計算大型項目，預計到 2030 年將實現重大的量子突破。他還承諾斥資數十億建立中國量子信息科學國家實驗室。而美國政府對量子技術的投資與中國相比這些舉措微不足道。世界正在進行一場量子戰爭，這場戰鬥將在研究實驗室中由大腦競技，這場戰鬥的關鍵彈藥是研究資金。

   2019年有兩件引起世人關注，一個是IBM公司在年初的國際消費類電子產品展覽會（CES）上，展出了最新的量子計算機模型，另一個，則是谷歌在《自然》雜誌上發文，宣告“量子霸權”，IBM傳達的只是：把以往被關在數十平方米計算中心裡的量子計算系統，做到了能夠一體化交付的狀態但離真正意義上的商用還相去甚遠。谷歌在《自然》雜誌上發表的（用可編程超導處理器實現的量子霸權）的論文，助其率先實現了量子霸權。論文提到，谷歌團隊研發出了一款由54個量子比特（qubits）組成的量子處理器，命名為西克莫，它只花約200秒的時間完成超級計算機來需要花1萬年才能完成的任務。但中國的祖沖之計算機已後來居上。阿里達摩院發布的2020十大科技趨勢中，趨勢七就是量子計算進入攻堅期。量子計算機技術的實際運用，在經濟上，信息時代是被各種軟件和硬件所支撐的，金融、科技、、軍事、行政、基礎設施等方面的數據庫就是“心臟”，一旦“心臟”陷入癱瘓，所有軍事、行政、經濟基礎都將陷入癱瘓。量子計算機出現後，幾百萬年破譯不了的信息都能破譯，也就是說，一旦一國掌握了量子霸權，其他國家軍事、政治、銀行、基礎設施等諸多方面的數據庫都將很容易遭到攻擊，無論再強大的國家都可能在瞬間癱瘓。例如在導彈攔截過程中，攔截導彈的運行速度及攔截方運算的速度是戰鬥勝利的關鍵，各國比拼的實際就是飛彈軌跡運算速度，量子計算機的速度優勢是無庸置疑的。