導讀：中國是世界上唯一一個在兩條技術路線上實作量子優越性的國家，美國隻有超導這一個，而其他國家一個都沒有。在這個意義上，中國的量子計算研究世界領先。
2021年10月26日，全國的媒體都在傳一個重大新聞：中國的量子計算機研究再次取得突破，比超級計算機快了億億億倍（https://mp.weixin.qq.com/s/_HvxJ3D69tPUUza1AuAqew）！具體而言，是中國科學技術大學潘建偉院士團隊的兩台量子計算機更新了，“九章”和“祖沖之号”都變成了二号。結論是，我國成了目前世界上唯一在兩種實體體系達到“量子計算優越性”裡程碑的國家。
九章二号1
九章二号2
祖沖之二号
咦，這些話是什麼意思？什麼叫量子計算？什麼叫量子計算優越性？什麼叫在兩種實體體系實作量子計算優越性？實作了這個有什麼好處？這話是說中國超越了美國嗎？……
對于最後一個問題，可以簡短地回答：是的，中國超越了美國。但對其他的技術性問題，就很難三言兩語說清楚了。實際上，我最近剛剛出版了一大學普書《量子資訊簡話》，裡面對所有這些問題都有清楚的解釋。歡迎大家去訂購這本書，看完你就成為量子資訊專家了。
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我最近特别忙，沒來得及第一時間解讀這個新聞。然而我知道，每當有量子資訊的新聞出來，就會有媒體來采訪。果不其然，過了一會環球時報英文版《Global Times》的記者就打過電話來了，我要為他們的專業精神點贊（https://mp.weixin.qq.com/s/lkPGtEtryrmy8UdA4sW32w）。
今天，我就來抽出時間，稍微解釋一下基本圖景。
首先，什麼叫量子計算？回答是一種新的計算原理，它對某些問題得到結果比傳統的計算機快得多。一個典型例子是因數分解，即
21 = 3 × 7，
15 = 3 × 5
這種分解，把一個自然數分解成質因數的乘積。
因數分解是一個傳統難題。這話是什麼意思呢？當一個數很小的時候，你分解它當然很容易，你不管三七二十一就能分解21。但當一個數很大的時候，比如有幾百上千位，分解它就變得很困難。因為我們并沒有特别巧妙的算法，用傳統計算機分解它需要的時間是随着位數指數上升的。比如說，分解一個300位的數字需要15萬年，而分解一個5000位的數字需要50億年！
然而對于量子計算機來說，因數分解就是個可以快速解決的問題。1994年，有人提出了量子的因數分解算法，它的計算量随着位數的增長要慢得多。同樣是分解300位的數字，量子算法會把時間從15萬年減到不足一秒鐘。分解5000位的數字，量子算法會把時間從50億年減到2分鐘！
現在，大家明白量子計算的威力了吧？
然而，有兩點需要強調。
一是量子計算機隻是對某些問題超過經典計算機，而不是對所有問題。有些問題經典計算機已經算得很快了，如加減乘除，量子計算機對它們就沒有任何優勢。是以量子計算機的前景是和經典計算機聯用，而不是取代經典計算機。它永遠都不會完全取代經典計算機，兩者會各自在自己适合的場景使用。
一般人以為的量子計算機
實際的量子計算機
量子計算機與經典計算機聯用
二是能夠分解大數的量子計算機硬體還沒有造出來。我們目前能夠用量子算法分解的最大的數是
291311 = 523 × 557，
這是科大的杜江峰院士和彭新華教授等人在2017年實作的。291311隻是個六位數，離幾百上千位還遠。
杜江峰和彭新華等人2017年用量子算法分解291311的論文
實際上，我們目前還沒有造出任何一台有實用價值的量子計算機。是以量子計算機的研究狀況是，軟體先行，硬體是瓶頸。現在各國競争的主要是硬體。
下一個問題，量子計算優越性是什麼意思？它指的是對某個問題，量子計算機超過了最強的經典計算機。
目前最強的經典計算機是什麼？是日本的超級計算機“富嶽”（Fugaku），它每秒能運作44.2億億次浮點運算（https://mp.weixin.qq.com/s/ANC3_b-lm_6UQ9yb9telhA）。打個比方，富嶽一秒鐘的計算量，頂得上全世界所有人不眠不休以每秒一次的速度算上兩年。由此可見，現在的經典計算機是很強大的，量子計算機要超越經典計算機是很不容易的。
2021年6月的超級計算機TOP500榜單
是以量子計算機一定要挑選一些自己有快速算法而經典計算機隻有慢速算法的問題，才能超越經典計算機。這就是為什麼量子計算優越性的定義裡，要強調是“對某個問題”。
具體而言，此前實作了量子優越性的實驗隻有兩個。
2019年，谷歌用超導體系實作了量子優越性，他們的實驗裝置叫做“懸鈴木”（Sycamore），處理的問題叫做“随機線路取樣”（random circuit sampling）。
谷歌論文圖1對量子計算機結構的示範
2020年，科大的潘建偉和陸朝陽等人用光學體系實作了量子優越性，他們的實驗裝置叫做“九章”，處理的問題叫做“高斯玻色子線路取樣”（Gaussian boson sampling）。
九章光量子幹涉實物圖
2020年12月5日，作者和苑震生教授在九章中介紹九章
這兩個問題是什麼意思，大家可以去看我的書《量子資訊簡話》。在這裡我們要提醒大家注意的是：每一個量子計算機的實驗都需要某種實體體系，超導、光學、離子阱、核磁共振等等。就像經典計算機能用很多種實體體系實作，最初是算盤，後來有機械式計算機，後來有電子管，後來有半導體，現在是內建電路，量子計算機也能用很多種實體體系實作。現在超導和光學是研究得比較熱門的兩條技術路線，其他的也都有人在研究。
是以大家見到一個量子計算機的新聞，就可以問兩個專業問題：第一，它處理的是什麼數學問題？第二，它用的是什麼實體體系？專家一聽你問這兩個問題，就知道你很内行。而如果你問一些不着調的問題，如“量子計算機打遊戲會不會卡”，專家一聽就知道你完全不懂了！
2020年5月，科大的潘建偉和朱曉波等人發表了一個重要的成果，叫做“祖沖之号”。它跟谷歌的“懸鈴木”一樣，都屬于超導量子計算機。當時CCTV的《共同關注》節目（https://mp.weixin.qq.com/s/GaAy15LBfSe-4G9PhAQKuQ）和環球時報英文版（https://mp.weixin.qq.com/s/-rFRZ1TvPJUCGILgODNRkw）采訪了我，我告訴了他們這事的意義。祖沖之号在一些名額上超過了懸鈴木，例如它的量子比特數是62，多于懸鈴木的53。但祖沖之号并沒有實作量子優越性，因為它的操控性還不夠好。它實際做的，隻是展示了量子的二維行走，原理上用這種方法可以實作任何的計算任務。
中國科大成功研制62比特可程式設計超導量子計算處理器祖沖之号
祖沖之号的二維超導量子比特晶片示意圖，每個橘色十字代表一個量子比特
有了這些背景，就可以了解最近的突破了：潘建偉、陸朝陽、朱曉波等人把九章和祖沖之号都更新成了二号。九章二号進一步擴大了對經典計算機的優勢，而祖沖之二号實作了量子優越性。是以，我們可以宣稱中國是世界上唯一一個在兩條技術路線上實作量子優越性的國家，美國隻有超導這一個，而其他國家一個都沒有。在這個意義上，中國的量子計算研究世界領先。
具體而言，九章二号把光子數從原來的最多76更新到了最多113，由此導緻對經典計算機的優勢從一百萬億倍增加到了一億億億倍。有人問我，為什麼不是更新到152，即76翻一番？回答是量子計算機的能力随着光子數的增長不是線性增長，而是指數增長甚至超指數增長，是以每增加一個光子都是很不容易的。
論文資料圖 a圖表示輸出态空間的次元 b圖表示光量子計算原型機相比超算的優勢倍數
有一個有趣的故事，來自一位量子計算的鐵杆反對者，叫做吉爾·凱萊（Gil Kalai），是一位以色列數學家。他曾經認為玻色子取樣，即九章做的這個問題，永遠不可能實作量子優越性。他的表述是：
“設想有一支外星人的軍隊，比我們強大得多，降落到地球上，要求我們展示5個光子的玻色子取樣，否則就摧毀地球。在這種情況下，我們應該調集我們所有的量子工程力量，嘗試實作它。但假如外星人要求的是比如說10個光子的玻色子取樣，那麼我們最好的選擇就是嘗試攻擊外星人。”
你看，他認為10個光子的玻色子取樣都是不可能的！而我們實際做到的是76，現在又成了113！有了這位老兄的flag，你就明白這是多麼重大的成就了吧？
吉爾·凱萊
祖沖之二号的進步，是采用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規模比特內建的問題，實作了66個資料比特、110個耦合比特、11路讀取的高密度內建，最大态空間次元達到了10的19次方。所謂态空間次元，就是這個體系裡可以允許的基本狀态的數目。懸鈴木的态空間次元隻達到10的13次方，而祖沖之二号達到10的19次方，比它高6個數量級。是以同樣是執行随機線路取樣這個問題，祖沖之二号的難度比懸鈴木要高得多。
在這個前提下，祖沖之二号相對于經典計算機的優勢是一千萬倍，而懸鈴木隻有一百萬倍。也就是說，祖沖之二号對一個更難的問題實作了更高倍數的優勢，是以比懸鈴木強得多。
量子随機線路取樣保真度随線路深度的變化及目前最快的超級計算機“富嶽”完成相同任務需要的時間
最後展望一下未來，這些成果有什麼用？回答是現在還沒有用，但是以它們為基礎，下一階段就會有用。我們希望在比如說五年之内，在特定領域找到有實用價值的應用，例如量子機器學習、量子化學、量子近似優化等。
量子計算機的一個個目标
中國在光學和超導兩條技術路線都實作了量子計算優越性，超越了美國，但這遠遠不是結束，而是開始。量子資訊的奇妙世界，等着大家去探索。最後再次向大家推薦我的科普書《量子資訊簡話》，大家在科大出版社官方微店或者京東、天貓就可以訂購，謝謝支援。