科技博览

科技立则民族立，科技强则国家强。

2023年，我国科技创新迎来众多高光时刻：国产大飞机C919完成首次商业载客飞行，“九章三号” 刷新光量子信息技术世界纪录，首个海上二氧化碳封存示范工程投用，空间站进入应用与发展新阶段，首艘国产大型邮轮命名交付......

2024年开年之际，数字北京科学中心特策划“科技新突破”栏目，盘点2023年在党的领导下所取得的科技成果。

计算是一门古老的学问，中国的《九章算术》是世界最早系统阐述分数运算、正负数运算的著作。几千年过去，人们对计算的需求早就脱离了普通的加减乘除。计算机出现后，进行复杂计算的速度和计算量得到了指数级的提升，算力的提升更是与现代社会产业发展息息相关。

图为光量子干涉实物图。左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。

来源丨见水印

2023年10月，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，成功构建255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新光量子信息技术世界纪录，在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”1微秒可算出的最复杂样本，当前全球最快的超级计算机“前沿”（Frontier）约需200亿年。

什么是量子计算机？

量子计算机的概念由费曼提出，它在原理上具有超快的并行计算能力，可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模拟计算方面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。

想要知道量子计算机有多厉害，我们先来了解一些专业术语。量子在物理学中，量子是所有物理特性的最小离散单元。它通常指原子或亚原子粒子，如电子、中微子和光子。量子比特量子比特是量子计算中的基本信息单位。传统计算机的比特是二进制，只能存放 0 或 1 ，但量子比特可以存放所有可能状态的叠加。叠加我们正常状态下只能看见一枚硬币的正面或反面，而量子粒子的状态一直在波动，即包括硬币正、反和交替的状态，直到被观察和测量，这就是处于叠加态。纠缠纠缠是量子粒子将其测量结果相互关联的能力。当量子比特相互纠缠时，它们构成一个系统并相互影响。增加量子粒子数量或纠缠，就可以让计算机处理更复杂的问题。量子干扰量子干扰是量子比特固有的行为，由于叠加而影响其坍缩方式的可能性。量子计算机需要尽可能减少干扰，确保结果的准确性。

图为光量子干涉示意图

来源丨见水印

量子计算利用量子力学的独特行为（如叠加、纠缠和量子干扰）并将其应用于计算。

为什么九章三号能这么快？

传统计算机是由电子元器件组成，因此它的运算速度和能力原则上是存在“天花板”的，但量子计算机理论上不存在。

量子计算的运算逻辑和传统计算机不同，传统计算机基于二进制进行逻辑运算，每个晶体管相当于一个开关，通过开关的状态表示0和1。每次运算只能处理一位信息，信息量越大，计算时间越长。而量子计算机采用量子比特，它利用量子力学特性（叠加态和纠缠态）实现运算。

“九章三号”光量子计算机

来源丨新华社

项目牵头人陆朝阳教授说：“量子计算的一个重要特性是，随着可操纵的量子数量增多，运算能力呈指数级增长。好比走迷宫，传统计算机每次只能选择一条路去尝试，如果失败了，就只能从头再来。但是量子计算机走迷宫，就好比同时有10个人一起尝试不同的路，瞬间就把所有可能都尝试一遍，很快就能找到那条正确的路。”

实验装置示意图来源|吉林日报

“九章二号”可操纵113个光子，“九章三号”可操纵255个光子，但“九章三号”运算能力的提升并不是2.26倍（255除以113得到），而是100万倍。

“九章三号”从结构上分为受激量子光源、超低损耗的量子光路、时空解复用的光纤环以及超导纳米线单光子探测器四大部分，较“九章二号”最大的升级在于“时空解复用的光纤环”技术。

“九章二号”无法解析光子具体数量，光纤环的应用能够大幅度提高光子的操纵水平。与此同时，受激量子光源也是目前世界上损耗率最低、模式数最多的，这些创新提升了光子的数量和品质，以及计算的复杂度。

量子计算机未来能做什么？

由于量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力与超大的计算量，科学家们期待量子计算机能够支持破译密码、大数据分析、药物分析、天气预报、材料分析等高精尖领域更大更复杂的计算要求。现代科技需要对更多更复杂的数据进行计算，传统计算机可能需要耗费大量的时间和资源才能得出结果，甚至可能无法满足计算需求，但要实现具有实用性的通用量子计算机，还有很长的路要走。

当前，国际量子计算研究呈加速态势，量子计算成为全球各国科研和战略布局的重点，包括IBM、谷歌等在内的科技巨头不断加码，各国政府和行业也正加速对量子计算的研发投资和政策扶持。九章团队也表示，期待这次突破能激发科学界更多关于经典算法模拟的研究，逐步解决各种科学和工程挑战，加快实现通用型量子计算机推动经济社会发展。

内容综合自：光明日报、人民日报、新华社新媒体、《瞭望》新闻周刊、吉林日报、封面新闻

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