“昔在庖犠氏始畫八卦，以通神明之德，以類萬物之情，作九九之數，以合六爻之變。” 2000年前中國古代數學著作《九章算術》的第一句話。
兩千年後的今天，中國科學家向全世界宣佈，已構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解，比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。這也意味著，達到並超越量子計算的第一個里程碑：量子計算優越性（國外也稱之為“量子霸權”）。
細心的人可以發現，中國的光量子原型機“九章”，速度比去年穀歌發佈的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。
一個“光”，一個“超導”，兩者殊途同歸，自量子計算原理髮現之初已經彼此對立，各自發展，爭奪著量子世界最高算力的王座。
此次中國“九章”石破驚天，是否意味著“雙雄之爭”已經結局？看似離普通人十分遙遠的“神仙打架”，將給世界帶來什麼？復旦大學物理系施鬱教授帶來解讀。
從“亦敵亦友”的兩位諾貝爾獎得主說起
在微觀領域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的基本單位叫做量子。然而，當人類深入探究量子世界時卻陷入了“泥沼”：單個粒子一旦與外部世界發生互動，就會喪失它們神奇的量子特性。因此，量子物理預言的許多現象無法被直接觀測。這一窘境直到上世紀80年代才因兩位科學家的工作得以改變——
法國人塞爾日·阿羅什和美國人戴維·瓦恩蘭，分別找到了方法操控單個粒子，而不破壞其量子態，為人類深入認識量子世界提供了開鎖的鑰匙。據此，兩人共同成為2012年諾貝爾物理學獎獲得者。
如果用“讓光與物質起舞”來形容兩位獲獎者的工作，並不為過。他們的研究有許多共通之處——都是光與物質在微觀世界中的相互作用，但“方向”卻截然相反。戴維·瓦恩蘭在真空和超低溫條件下，巧妙使用激光束和激光脈衝製造出“陷阱”，來俘獲單個帶電離子，讓它陷於其中難動分毫，而後以光為尺，對其進行觀測、操控。塞爾日·阿羅什則反其道而行之。他以特製的兩個鏡面做成“腔”裝置，當微波光子通過時，在兩面鏡子之間高速反彈，在腔中停留時間達0.1秒。如此，光子被牢牢控制住後，再派原子進去“巡邏探查”，以此掌握單個光子在量子態下的運動。
可以看出，兩條路線既是“朋友”，也是“敵人”。他們的工作共同邁出了量子態研究的第一步，但在應用領域，兩者又存在絕對的競爭關係。通常來說，數字信息處理的單元叫做比特，無論是用原子探查光，還是用光捕獲離子，研究的對象都是可用作量子比特的單個原子或離子系統。
然而，真正進入量子計算機的構建階段，兩個方法只能擇其一。
“超”高一尺，“光”高一丈
這種“對立”，始終延續。
演示量子計算優越性目前有兩種途徑：利用超導量子比特實現隨機線路取樣和利用光子實現玻色取樣。
去年9月，多家海外媒體披露，谷歌（Google）一份內部研究報告顯示，其研發的量子計算機成功在3分20秒時間內，完成傳統計算機需1萬年時間處理的問題，並聲稱是全球首次實現“量子霸權”（即指量子計算機在速度和可完成運算項目上，超越先有最快的傳統計算機）。
在第二種路線上，“九章”的構建者中國科技大學團隊一直保持國際領先。
2018年 6月，中國科學技術大學宣佈，潘建偉教授及其同事陸朝陽等與中科院上海微系統與信息技術研究所尤立星研究員小組合作，實驗研究了一種量子計算模型“玻色採樣”對光子損失的影響，證明容忍一定數目光子損失的玻色採樣可以帶來採樣率的有效提升。該研究成果為通過玻色採樣實現量子霸權開闢了一條高效的途徑。6月6日，這一研究以“編輯推薦文章”的形式在線發表於《物理評論快報》。美國物理學會Physics網站邀請澳大利亞量子計算和量子通信技術國家研究中心奧斯汀（Austin Lund）博士以“光子損耗不會使得量子採樣脫軌”為題，在“觀點”專欄對這一研究成果作了評述。
在量子計算領域，能演示量子機器在特定問題上優於經典計算機的實驗被國際學術界稱為“量子計算優越性”。2010年，麻省理工學院Aaronson等在理論上提出玻色採樣，並嚴格證明此模型是實現量子計算優越性的有效途徑之一。但是玻色採樣的一個實驗挑戰是光子的損耗。潘建偉研究團隊首次在實驗上探索了可容忍光子損耗的玻色採樣。該團隊發展了國際上最高效率和品質的量子點單光子源，並自主研發了集成127個分束器的具有最高透過率的光量子線路。結合上海微系統與信息技術研究所尤立星團隊研製的高性能超導納米線單光子探測器（SNSPD），實驗證明，在損耗一定光子數的情況下，玻色採樣仍然保持其原來的計算複雜度。與此同時，這種新型的玻色採樣可以指數級地提升採樣速率。該研究成果表明我國繼續在光學量子計算方面保持國際領先水平，並向超越經典計算能力的量子霸權研究目標又邁進了一步。
2019年12月，中科大宣佈，他們利用自主研發的先進單光子源、多通道光學干涉儀，與中科院上海微系統與信息技術研究所研究員尤立星以及德國、荷蘭的科學家合作，成功實現了20光子輸入60×60模式(60個輸入口，60層的線路深度，包括396個分束器和108個反射鏡)干涉線路的玻色取樣實驗。與國際學界之前的研究成果相比，此次實驗成功操縱的單光子數增加了5倍，模式數增加了5倍，取樣速率提高了6萬倍，輸出態空間維數提高了百億倍。其中由於多光子高模式特性，輸出態空間達到了370萬億維數——
這等效於構建了48個量子比特計算空間。當時發表該研究結果的《物理評論快報》審稿人認為，這項研究突破是“一個巨大的飛躍”，“是通往實現‘量子霸權’的‘彈簧跳板’”。
今天，中國科學家的憑藉孜孜以求，從48，一舉彈到了76。
“神仙打架”，給普通人帶來了什麼
已有數據顯示，“九章”對於處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級計算機“富嶽”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發佈的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。該成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，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。
在復旦大學物理系教授施鬱看來，基於兩種技術路線的算力的競爭，依然在繼續。
那麼，這普通人看來像天書般的科研競爭，將為普通人的生活帶來怎樣的改變呢？
與傳統計算機“0-1”非此即彼二象性的計算基礎相比，量子計算機的基礎——量子，同時處於多種狀態和多個位置的 " 疊加 "。這無疑將打破傳統計算機界限，使計算機運算能力呈幾何級數劇增，並由此帶來適應其“並行計算”特點的化學、人工智能等技術理論研究的突破，延伸至下游應用技術，可能引發物流、金融、能源等多個與日常生活緊密相關的領域的生態變革。
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