速度提升一百万倍！ “九章三号”厉害了

据新华社报道，中国科学家宣布成功构建量子计算原型机“九章三号”，在研制量子计算机之路上又迈出重要一步。

“九章三号”再度刷新世界纪录

10月11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国科学院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，宣布成功构建255个光子的量子计算原型机“九章三号”。

这项成果再度刷新光量子信息技术世界纪录，求解高斯玻色取样数学问题比目前全球最快的超级计算机快一亿亿倍。国际知名学术期刊《物理评论快报》发表该成果。

实验装置示意图

科研人员设计时空解复用的光子探测新方法，构建高保真度的准光子数可分辨探测器，提升了光子操纵水平和量子计算复杂度。根据公开正式发表的最优经典精确采样算法，“九章三号”处理高斯玻色取样的速度比上一代“九章二号”提升一百万倍。“九章三号”在百万分之一秒时间内所处理的最高复杂度的样本，需要当前最强的超级计算机“前沿”（Frontier）花费超过200亿年的时间。这一成果进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位。

据悉，“九章”取名于中国古代数学名著《九章算术》。“九章三号”是在前两代“九章”的基础上的又一次技术跃迁。

中国科学技术大学陆朝阳教授向第一财经记者表示，“九章三号”的成功构建主要有四方面的意义：首先是使得40年前费曼等人的梦想成为现实；第二是在“九章”发展过程中，发展出可扩展的量子调控技术，为具备容错能力的通用量子计算机的研制提供技术基础；第三是在激烈的国际竞争角逐中，“九章三号”的实现进一步巩固了我国在光量子计算领域的国际领先地位；最后是打开了在图论等实际问题方面的应用。

　 我国跻身量子计算“第一梯队”

量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式，它在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定量子算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面相比经典计算机实现指数级别的加速。因而，研制量子计算机是当前世界科技前沿的最大挑战之一。

对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：

第一阶段：发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

第二阶段：通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。

第三阶段：通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

2019年10月，在持续重金投入多年以后，谷歌宣布实现了“量子优越性”——他们设计、构建了包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器，命名为“悬铃木”。在随机线路采样这一特定任务上，“悬铃木”展现出超过世界上最先进超级计算机的能力。

中国科学家在取得量子信息传输领先地位的同时，也加紧了量子计算机的研发。

2020年12月，潘建伟、陆朝阳等人组成的研究团队设计、构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了高斯玻色采样任务的快速求解。研究显示，“九章”等效地比“悬铃木”快一百亿倍，这一成果使我国成为第二个实现“量子计算优越性”的国家。

2021年5月，潘建伟院士团队又成功研制出62比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之号”，并实现可编程的二维量子行走。

2021年10月，著名物理学期刊《物理评论快报》同时发表了中国科学技术大学的两篇论文，文章表明，随着66比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”（也称“祖冲之2.0”）的研制成功和113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”（也称“九章2.0”）的构建，中国科学技术大学科研团队在超导量子和光量子两种系统的量子计算方面取得重要进展，这也意味着我国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到量子计算优越性里程碑的国家。

《科学美国人》杂志在《新研究表明，中国在全球量子竞赛中领先》的文章中指出：“2017年，当中国的科学家团队从‘墨子号’卫星发射纠缠光子，进行世界上第一次量子安全视频通话时，专家们认为中国已经在量子通信方面处于世界领先地位。而新研究（‘祖冲之二号’、‘九章二号’等工作）表明，中国的领先地位已经扩展到量子计算领域。”

“九章”的出色表现，牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子模拟机奠定了技术基础。总的来看，我国对量子计算的研究与发达国家处于同一阶段，已进入国际“第一梯队”。

　 各国加速布局量子计算领域

如今，作为量子科学的重要领域之一，量子计算俨然成为科技领域的研究热点，世界主要国家以及各大科技公司都纷纷投入大量精力和资金来研究和开发量子计算技术。

图 | 各国关于量子计算的部分政策（来源：CB Insights China 根据公开资料做不完全统计）

德国：2020 年 7 月，德国联邦教育与研究部部长卡利切克（Anja Karliczek）表示，德国将于 2021 年拥有首台量子计算机。6 月初，德国政府加码投资 20 亿欧元发展量子技术，希望在担任欧盟轮值主席国期间，把量子计算机相关议题纳入未来欧盟的科研框架，进一步推动欧洲在这一关键技术上加速发展。

法国：法国已将量子计算视为“主要关注领域”，其量子技术国家战略计划提出， 2021 年起法国国家研究局（ANR）的“量子技术中心”实施 AAPR 专项，每年超 1000 万欧元，并在巴黎、萨克雷和格勒三个城市和地区创建三个“枢纽中心”，以支持涉及量子通信专家、网络安全专家和电信设备制造商的 QKD 技术的研究。

英国：2013年，时任英国财政大臣 George Osborne 发起了 2.7 亿英镑的英国国家量子技术计划（National Quantum Technologies Programme），该计划在牛津大学、伯明翰大学、约克大学和格拉斯哥大学建立了四个量子技术中心。2015年，发布了《量子技术国家战略》和《英国量子技术路线图》，将量子技术发展提升至影响未来国家创新力和国际竞争力的重要战略地位。2019 年，时任英国首相特雷莎·玛丽·梅（Theresa Mary May） 宣布将大力投资量子计算的发展，政府将投资 1.53 亿英镑用于发展量子计算，而全球公司承诺在英国投资超过 10 亿英镑，总投资超过 12 亿英镑。

荷兰：对于量子技术，荷兰计划在未来 10 年内向 QuTech 投资 1.35 亿欧元，QuTech 是由荷兰台夫特理工大学（TU Delft）与荷兰应用科学研究组织（Netherlands Organization for Applied Scientific Research，TNO）共同成立的一家量子技术研究所，旨在加速全栈量子计算系统的研发。

俄罗斯：2019 年 12 月，俄罗斯副总理马克西姆·阿基莫夫（Maxim Akimov）提出国家量子行动计划，计划 5 年内投资约 7.9 亿美元打造一台实用的量子计算机，并希望在实用量子技术领域赶上其他国家。此前，2018 年，俄罗斯前景研究基金科技委员会批准于 2018-2021 年在俄罗斯发展量子计算机的项目，该项目将分阶段逐步实施，其中，莫斯科大学已正在前景研究基金的支持下启动项目“实体”部分的研制。

韩国：韩国于 2014 年发布《量子信息通信中长期推进战略》，希望在 2020 年成为全球量子通信领先国家。2019 年 1 月，韩国科学和信息通信技术部（MSIT）宣布，其量子计算技术开发项目与 2019 年的下一代信息计算技术开发项目已经完成并准备启动。并将在未来五年内，将投入 445 亿韩元（约 4000 万美元）用于开发量子计算机硬件、量子计算新构架、量子算法、基础设施等核心技术。

日本：2013 年，日本成立量子信息和通信研究促进会以及量子科学技术研究开发机构，计划未来 10 年投入 400 亿日元（约 3.77 亿美元）在量子信息技术的研发。2019 年 ，日本政府规划了以量子技术研究开发战略为支柱的路线图，其中，关于性能优于超级计算机的量子计算机，计划在 10 年后开发出计算的基本单位（量子位）数量达到 100 个的机型。同时，为了推动量子技术的发展，日本政府计划在 2020 年成立负责整体管理与协调的主管机构，在 8 个领域建立核心研发基地，并在 5 年内不断完善量子计算研发体系。

美国：除 2002 年美国国防部高级研究计划局（DARPA ）制定的《量子信息科学与技术规划》外，2008 年，DARPA 斥巨资启动名为“微型曼哈顿计划”的半导体量子芯片研究计划，将量子计算研究列为与原子弹研制同等重要的高度。2018 年 6 月，美国众议院科学委员会高票通过《国家量子倡议法案》，计划在 10 年内拨给能源部、国家标准与技术研究所和国家科学基金 12.75 亿美元，推动量子科学发展。同年 12 月，美国总统特朗普签署了美国国会提交的《国家量子计划法案》，落实“国家量子计划”正式成为美国法律，为美国加速量子科技的研发与应用，夺取战略性领先优势提供了立法保障。2020 年 4 月，根据美国最新国会审议的预算，特朗普政府将 2021 年科研经费整体削减了近 10%，但量子信息科学的开支却增加约 20% 至 2.37 亿美元，其中，能源部要求 2500 万美元来加速量子互联网的发展。如果获得国会批准，将为推动量子互联网发展提供重要资金基础。

中国：如此重要的科技领域，我国也是积极投入研发。自2016年起，中国发布多项量子技术相关政策。2016年8月我国颁发《“十三五”国家科技创新规划》，将量子计算机列入科技创新2030重大项目，研制通用的量子计算原型机和实用化量子模拟机。“十四五”规划期间，全国多个省级行政区出台地方发展规划，支持量子计算产业发展。今年7月25日，在座谈会上，工信部表示将加强通用人工智能、6G、量子科技等未来产业前瞻布局，打造竞争新优势。

目前，各国在量子计算领域的研发投入仍然在加速中。根据第三方统计数据，仅2023年上半年就有11个国家发布或启动了本国的量子战略，包括加拿大、英国、日本、德国、瑞典、荷兰、印度、澳大利亚、丹麦和韩国等。

不过，要研制成功量子计算机还有很长的路要走。国际主流观点认为，这至少还需要5年到10年时间的努力。量子计算和经典计算的竞争是一个长期的动态过程，虽然人们操纵量子比特的数量和精准度在不断提升，但是经典计算的算法和硬件也在不断优化，超算工程的潜力更是不可小觑。

责任编辑：张薇