中國速度！九章三號：一微妙計算，相當于最快超算200億年

什么是量子計算機

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

【資料圖】

但是在量子世界中，我卻擁有了無數(shù)個分身，每個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，這就是量子計算機和普通計算機的區(qū)別。

2023年10月11日，中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，宣布成功構(gòu)建255個光子的量子計算原型機“九章三號”。

一微妙的計算相當于超算200億年

這項成果再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀錄，求解高斯玻色取樣數(shù)學問題比目前全球最快的超級計算機快一億億倍，在研制量子計算機之路上邁出重要一步。

這是繼2019年中國科學家在量子霸權(quán)方面取得突破性進展后的又一重大成就。當時，中國科學家利用76個光子的“九章”量子計算原型機，實現(xiàn)了比超級計算機快一百萬億倍的高斯玻色取樣任務。

而“九章三號”則將光子數(shù)提升到了255個，輸出態(tài)空間維度達到了10的43次方，處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍，“九章三號”1微秒可算出的最復雜樣本，約相當于全球最快的超算200億年。

這意味著我國在光量子計算領域已經(jīng)達到了世界領先水平，展示了中國科技創(chuàng)新和自主研發(fā)的強大能力和信心。這也為解決人類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。

什么是量子計算機，光量子計算機有哪些用途？

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

而量子計算機使用量子比特作為信息的基本單位，每個量子比特可以同時表示0和1兩種狀態(tài)，或者說是0和1的疊加態(tài)。這就使得量子計算機可以同時處理多個信息，實現(xiàn)并行計算和指數(shù)加速。

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

光子具有很好的相干性和穩(wěn)定性，不易受外界干擾，可以保持較長時間的量子疊加態(tài)；光子可以實現(xiàn)高效率和高精度的單光子源、單光子探測器、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)進行耦合和交換信息，實現(xiàn)多平臺的量子網(wǎng)絡和通信。

光量子計算機有很多潛在的用途

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

量子優(yōu)化：利用光量子計算機求解一些難以用經(jīng)典算法高效解決的優(yōu)化問題，如旅行商問題、機器學習問題、組合優(yōu)化問題等，從而提升運籌規(guī)劃和決策支持的能力。

量子密碼：利用光量子計算機實現(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：利用光量子計算機實現(xiàn)一些超越經(jīng)典人工智能的功能，如量子機器學習、量子神經(jīng)網(wǎng)絡、量子圖像處理等，從而提升智能系統(tǒng)的性能和效率。

為什么人類迫切需要研發(fā)量子計算機？

人類迫切需要研發(fā)量子計算機的原因有以下幾點：經(jīng)典計算機的極限，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人類對計算能力的需求越來越大，但經(jīng)典計算機已經(jīng)接近其物理極限，無法滿足一些復雜和重要的問題的求解。例如，目前最快的超級計算機也無法模擬一個含有幾十個電子的分子的行為，也無法破解一些強大的密碼系統(tǒng)。而量子計算機則可以突破這些限制，實現(xiàn)指數(shù)級的加速。

量子科學的進步：隨著量子力學和量子信息學的深入研究，人類對量子世界的認識和掌握不斷提高，為實現(xiàn)量子計算提供了理論基礎和技術(shù)手段。例如，人類已經(jīng)實現(xiàn)了單光子源、單光子探測器、多光子糾纏等關(guān)鍵技術(shù)，為構(gòu)建光量子計算機奠定了基礎。

社會需求的驅(qū)動：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類面臨著許多重大挑戰(zhàn)和難題，需要借助更強大的計算工具來解決。例如，新型藥物的開發(fā)需要模擬復雜的分子結(jié)構(gòu)和反應過程，交通規(guī)劃需要優(yōu)化龐大的路網(wǎng)和車輛流動，信息安全需要防范日益增長的網(wǎng)絡攻擊，宇宙探索需要處理海量的天文數(shù)據(jù)等。而量子計算機則可以為這些問題提供新的解決方案和可能。

量子計算機是如何運作的，和普通的計算機以及超級計算機有啥區(qū)別？

量子比特：是量子計算機中存儲和處理信息的基本單位。它可以是一個原子、一個電子、一個光子或者其他具有兩個可區(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)，量子位可以同時表示0和1兩種狀態(tài)，或者說是0和1的疊加態(tài)。

量子門：是量子計算機中實現(xiàn)邏輯運算和信息處理的基本元件。它可以對一個或多個量子位進行操作，改變其狀態(tài)或者實現(xiàn)兩個量子位之間的相互作用。例如，一個哈達瑪門可以將一個確定的量子位變成一個疊加態(tài)的量子位，或者將一個疊加態(tài)的量子位變成一個確定的量子位。

量子算法：是量子計算機中執(zhí)行特定任務或者求解特定問題的一系列步驟和規(guī)則。它由一些量子門和測量操作組成，利用量子力學的一些特性，如疊加、糾纏、干涉等，來實現(xiàn)比經(jīng)典算法更快或者更優(yōu)的結(jié)果。

量子測量：是量子計算機中獲取輸出結(jié)果或者觀察系統(tǒng)狀態(tài)的過程。它會導致量子位從疊加態(tài)塌縮到某個確定的狀態(tài)，即0或1，并且這個過程是不可逆的。不同于經(jīng)典測量可以多次重復并且不影響系統(tǒng)狀態(tài)，量子測量只能進行一次并且會破壞系統(tǒng)狀態(tài)。

為什么量子加密無法被破解

為什么量子計算機與普通計算機有著巨大的差異呢？原因就在于量子的行為，使用量子計算機加密的密碼，是無法被破解的，因為這段加密的密碼，涵蓋了量子的多種特性。

量子不確定性：根據(jù)海森堡測不準原理，對一個量子系統(tǒng)的測量會影響其狀態(tài)，而且不能同時精確地知道兩個互為共軛的物理量，如位置和動量。這意味著如果有人試圖竊聽或復制一個量子信號，就會改變其狀態(tài)，從而被發(fā)現(xiàn)和拒絕。

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

量子隨機性：根據(jù)波函數(shù)塌縮的概念，當對一個處于疊加態(tài)的量子系統(tǒng)進行測量時，它會以一定的概率塌縮到某個確定的狀態(tài)。這意味著如果有人試圖預測或控制一個量子信號的狀態(tài)，就會面臨不可克服的隨機性和不可預測性。

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

本文總結(jié)

《九章算術(shù)》是我國古代一部偉大的數(shù)學巨著，而我們的量子計算機名字則來源于《九章》，隨著九章三號原型機的橫空出世，未來我們的量子計算機將會變得越來越強大。在面對著人類未來面對的無數(shù)的數(shù)學、計算、統(tǒng)計等難題，量子計算機就像一把鋒刃的利劍，可以刺穿這一切的困難。

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