中国量子计算新突破!随谷歌实现量子优越性(组图)

200秒只是短短一瞬，6亿年早已是沧海桑田。12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

“量子优越性像个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明其未来有多方超越的可能。”中科大教授陆朝阳说，多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。

去年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，实现了“量子优越性”。

近期，潘建伟团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”。

实验显示，当求解5000万个样本的高斯玻色取样时，“九章”需200秒，而目前世界最快的超级计算机“富岳”需6亿年。等效来看，“九章”的计算速度比“悬铃木”快100亿倍，并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。

据悉，潘建伟团队这次突破历经20年，主要攻克高品质光子源、高精度锁相、规模化干涉三大技术难题。

“比如说，我们每次喝下一口水很容易，但每次喝下一个水分子很困难。”潘建伟说，光子源要保证每次只放出1个光子，且每个光子一模一样，这是巨大挑战。同时，锁相精度要在10的负9次方以内，相当于100公里距离的传输误差不能超过一根头发直径。

与通用计算机相比，“九章”还只是“单项冠军”。但其超强算力，在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。

12月4日，国际学术期刊《科学》发表了该成果，审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就”。

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2019年9月：谷歌实现量子超越性？3分20秒解决超算要算1万年的问题

美国能源部下属橡树岭国家实验室的Summit（“顶点”）是当前世上最强大的超级计算机。但据英国《金融时报》报道，谷歌在一篇论文中透露他们的量子处理器在3分20秒内解决了“顶点”需要跑上1万年的计算问题。

如果情况属实，尽管只是在一个计算问题上击败最强超算，但已足够被外界视为里程碑事件。要知道，这正好符合了所谓“量子霸权”的定义：

加州理工学院教授普雷斯基尔（John Preskill）在2012年提出了“量子霸权”（Quantum Supremacy）的概念，即量子计算机能在特定问题上超越世界上性能最好的经典计算机。

只不过，普雷斯基尔预言量子霸权将由50比特的量子计算机实现，而谷歌这次使用了53个量子比特，处理器名为Sycamore。

《金融时报》在当地时间9月20日报道称，谷歌将相关论文上传到了美国国家航空航天局（NASA）的网站上，随后删除。美国《财富》杂志援引谷歌消息人士称，论文被撤回是因为该研究尚未经过同行评议。

“相比起所有已知的经典算法，这种巨大的加速意味着量子霸权已经在计算任务上实现，昭示着一种人类期待已久的计算范式。”研究人员在论文中写道。

“据我们所知，这次实验是第一个仅适用于量子处理器的计算。”

具体来说，研究人员布置给量子计算机的题目是“证明一个随机数产生器产生的数确实随机”。这是个单一的、高技术含量的计算问题，研究人员坦言，它几乎没有实际应用价值。量子计算机最早或许会在材料科学、机器学习和化学领域解决实际问题，但这还要好几年。

不过，谷歌的科学家也乐观地估计，实现量子霸权的里程碑后，量子计算机的力量将呈现指数级增长，比传统的摩尔定律更强劲地推动行业的发展。

神奇而脆弱的量子比特

量子计算机依据一套完全不同于经典计算机的量子力学法则运行。经典计算机中的比特为0或1，基于此进行二进制运算。在神奇的“叠加态”加持下，量子比特却可以同时是0和1，正如薛定谔那只著名的又生又死的猫。在理想状态下，50个量子比特一次可以进行2的50次方次运算，这已经是个天文数字。

微观的量子态在器械上很难操作，谷歌采取了一大主流思路，就是利用超导态这一宏观的量子态。不过，超导量子比特虽然具备了纠缠态、叠加态等量子计算必要的属性，但也继承了量子态的弱点：非常脆弱，极易被干扰。

换言之，超导量子计算系统通常需要更多的量子比特来保护用于计算的量子比特，量子比特的质量与数量同样重要。正因如此，谷歌虽然早在2018年3月就发布过一款由72比特组成的量子处理器，但当时并未突破量子霸权。

此外，美国IBM公司和一些初创企业也在提供所谓的量子计算服务，但它们只能在特定问题上表现出相对于一般计算机的优势，无法击败最强超算。

就在9月18日， IBM宣布将在下月推出53量子比特的可“商用”量子计算机，向外部用户开放使用，这也将是该公司迄今开发出的最强大量子处理器。

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郭光灿院士：要在量子争霸中胜出，靠游击战是不行的

郭光灿院士是一个健谈的人，而且语气充沛，嗓门敞亮，尤其是在聊他的专业——量子科学的时候，对《科学大师》记者的问题来者不拒，照单全收。

这位77岁的老人，有不少值得说道的地方。

在中国的量子科研领域，郭光灿具有不小的代表性，他属于量子研究的开拓者和领军科学家之一。2003年当选为中国科学院院士，这是中国量子科学领域产生的第一批院士，当时总共才选出了两位。

在量子领域，郭光灿做了很多事情，用大白话来讲，是极能“折腾”的一位科学家。



1980年代初，他开始转向量子光学，1981年公派出国访学，后来有一次参加在美国罗切斯特大学召开的国际光学会议时，郭光灿深感中国在这个方向落后太多，人家已经搞了二十年，基本理论都弄清楚了，国内学术界却还在质疑量子光学发展有无意义，采取闭门拒之的态度。郭光灿说，他当时的一个想法就想着一定要回国把量子光学发展起来。

1984年回国，郭光灿的一个举动就是组织召开首届全国量子光学会议，没有钱，他向学校争取了两千元经费。不能自由办会，他就游说中国光学学会，搭一个便车，挂靠在他们的学术会议上开。为了发展量子科研，他甚至还给著名科学家钱学森写信，争取钱老的支持和声援。此后，他又以一人之力，在国内率先编辑出版了中国第一本《量子光学》教材，开设了第一门《量子信息》课程。

郭光灿喜欢用坐了20年冷板凳、很孤独等话来形喻自己的科研历程，选择在当时还是冷门的量子科学，没有人搭理，也就意味着没有研究经费，揭不开锅。在老朋友、中科院物理所研究员吴令安眼里，郭光灿是一个头脑活络的人，为了发展科研，很会跑门路。他早年曾找过两类十分要害的机构寻求合作，一类是银行，一类是部队，认为量子信息在这种机构当中会有市场，结果有得有失，银行没谈成，部队上的业务关系倒是建立了。

郭光灿记得，自己新创建的校级开放实验室破格参加中科院信息领域的院重点实验室的评估，被评为第一名，获每年350万元经费的支持，很快地被正式批准为中科院量子信息重点实验室（据该实验室官方资料：这是中国量子信息领域第一个省部级重点实验室）。得到资助后，郭光灿第一个选择是搞量子密码研究，因为他判断这对国家有用，以此再拿量子密码去向相关机构继续化缘要钱，拿到新的经费之后，他开始重点布局与量子密码相关但又别有天地的量子计算机科研，尽管当时还没有人重视这个。就这样把量子计算机研究开展起来了。

他说，“否则我根本没法活。”

有趣的是，在搞量子科研的过程中，郭光灿还被指斥是在搞伪科学，在他们中国科技大学本校内，就有一些物理系的老教授曾经联名致信校长，对郭光灿的科研工作加以反对和批评。

郭光灿的坎坷，在2001年得到舒缓。这一年，经过四次申请碰壁之后，说服了几个关键的委员，郭光灿从科技部“973”项目中申请到了一笔2500万元的研究经费，中国973项目第一个“量子通信和量子信息技术”课题于此时也正式成立，郭光灿担任首席科学家。

《科学大师》记者注意到，在这个课题组名单中，除了领衔的郭光灿，还有当今另外两位量子科学领域的院士：一位是1980年代与郭光灿同时在美国访学的山西大学教授彭堃墀，一位是如今在量子领域炙手可热的科学家潘建伟。他们当年也在其中分别担任了课题负责人。

也就是从那时候开始，随着全球形势的变化迁移，量子科学逐渐变得热门起来，人们开始发现和正视它包含着的可被挖掘的潜在价值点。现在这已经是一项国际间的科研竞赛，量子科学也被中国政府放置到了国家科研战略需要重攻突破的高度。

但《科学大师》记者在采访郭光灿院士之后也发现，在量子科学家之间，实际上对中国量子科研的发展方向和路径仍存在一些分歧。量子通信当前无疑是舆论瞩目的明星项目，中国也被认为在这方面是走在了国际前列，具有领先性。不过郭光灿也提出，真正应该重攻的是量子计算机，而不是量子通信。他很担心在量子科研方面中国出现路径选择失误。

“其他的量子技术也有用，也会逐步用到社会上，但和量子计算机相比，没有颠覆性的作用，”郭光灿说，“我现在不是担心我们实验室的事，我担心我们国家的方向要是偏了，我们就贻误了一个颠覆性新技术的发展。”

10月23日，谷歌公司宣称，他们用时13年，已经在量子计算器上实现了“量子霸权”（通俗来理解，即指量子计算能力和效率上可以做到绝对碾压传统计算机）。据报道，他们的量子系统只用了200秒完成一个计算，而同样的计算用当今最强大的超级计算机Summit执行，需要约10000年（据新智元等媒体）。消息一经披露，学界震动，中国的量子科学家也对此抱以肯定和欢迎的态度，认为这是“新技术时代即将到来的曙光”（量子科学家潘建伟语）。这种形势，似乎也应证着郭光灿对于量子计算机重要性的看法。

为量子科研奔忙了大半生的郭光灿，孩子却没有跟着一块进入物理专业，而是另往计算机软件专业的领域另谋发展去了。因为打小就看到当爹的“挑灯夜读”的场景，留下了一种心理暗示。

“很小的时候，半夜冷得要死，合肥冬天又没有暖气，看我还在看书，还在那儿冻着，他说我不要像我爸那样累，搞物理太辛苦了。我也不强求他。”郭光灿说。他这一代人，成长期中刚好遇到“文革”，有十年时间没能继续学习，等到运动结束，一种心态就是自我催促着赶紧补课，抢回时间。他说自己是赶上时代的尾巴，拼命抓住了机会，而和他同时代的很多人，在时代浪潮卷裹中，沉没下去的、不成功的也有很多，“我二十二岁大学毕业，耽误了十年，正是最黄金的时候”。

一，“量子霸权”不会很快实现

《科学大师》：谷歌近期公开宣称他们已经实现“量子霸权”了，您作为量子科学家，怎么看这个事？

郭光灿：谷歌研发的这个量子计算机，是在很短时间里可以针对性地解决那样一个相应的问题，而不可能在所有时间里处理任何问题都行，他们还不能实现常态化的、长时间的运算能力，相干时间就那么短，所以有争议，人家说你这到底是不是霸权?你解决这个问题的能力超过我，但我解决别的问题能力可以超过你。不过虽然有这种争议，但它证明起码量子计算机的科研是往前走了，这是一个进展。

量子计算机的实现是这样的，从原型机研发上来讲，第一步就是要把它做成仪器器件，可以移动，你要买，我可以卖给你，（这台仪器）里面什么都有，硬件、软件、操作系统全包在一块了，不是（分）散在实验室里。（能做到这一步）这个已经不容易，因为从实验室原理演示成功，到能做成可商用的这种成型器件，中间要解决好多技术、工程问题，这中间很复杂的。他们能做到这一步，我认为是很重要的进展。很多人看不到，认为这有什么？大家不知道，他们已经做成器件了，是个量子处理器了。然后再往下走实现操控100个比特，我估计就够了，就实现量子霸权了。他们现在是能操控53个比特，我认为还差点儿。

我认为现是量子计算机已经走到第一步和第二步之间，但要到通用机，还非常远，非常困难。

《科学大师》：您能给一个可预计的周期么，可能还需要多少时间？

郭光灿：有人估计是十五年，但我认为说不准，有可能快也有可能慢，但我认为几十年内是可以实现的。

这里面有几个问题要突破，第一个是在宏观世界要使微观的量子性保持下去是很难的。第二个我要操控这个量子世界，用经典工具去操控，我不知道怎么操控更好。

现在我们人类操控一个量子比特，就得诺贝尔奖了，如果我能操控一百万个，你同时又能很精确操控每一个，那谈何容易啊？

但人在经典世界的操控，也不是一下子就会的，我们刚开始用，所以早晚会慢慢提高的，早晚会达到的，这是我坚信的原因。我的底气在于我认为量子力学是对的，都被科学验证了，一百多年来谁都想挑毛病，都挑不出来。（我认为）只是技术做不到，人类脑袋是够用的，技术也是可以提高的。现在大家都在探路，看谁聪明，谁找到点子，谁找到新技术。

二，“谁先把量子计算机搞出来，谁就占了制高点”

《科学大师》：我们国家的量子计算机科研水平怎么样，和他们相比的话？

郭光灿：我们可以讲在这一块是走在国际第一梯队，美国的量子计算机的研究信息和进展是公开的，相比较而言，我们的量子计算机研究是落后了他们五年，在这一点上实事求是，我们也不忽悠。我们还没有搞出量子计算机。

第一梯队指的是研究水平，我们在国际学术界不断有新的研究文章出来，而且有些很重要，也有不少课题质量很高，各方面理论都是做得很前面，能够与国际上一流的机构进行对话。

像我们实验室，最开始我们是到国外学习，派学生到那他们那儿工作，学到技术再回来。现在完全不一样了，现在国外学者到我们实验室来做研究，他们找不到像我们实验室这么高水平的实验装置，他们想搞理论研究，跟我们一讨论，马上做出世界一流的成果发表在国际刊物上。我们实验室有好几个小组，以色列、美国、欧洲的人都有，这个就倒过来了。

我早说了，量子计算机是最重要的，十年前我就开始鼓吹这个，拿了钱我们也在做，但是总的国家投入还是很少，更多是投到了别的量子项目中去了。我们国家要是五年前就开始做，就不至于会输他们的，美国是2012年之后开始大搞起来，他看到有希望了，他就投入了。

现在的情况就是这样，国际上也都起来了，主流的量子计算机你不投入不大力发展，组织不好，那我们整个还是要落后。

我的一个看法是，最后在这个领域里能不能在国际上有位子?有竞争力的量子计算机是不是能在我们国家诞生，使我们不需要再向美国买，不需要像电子计算机的芯片，受人家的控制?如果到时我们不受人家控制，我们能独立了，我认为就是成功的。如果做不到这一点，我们就失败了，我担心的是这个。我已经为这个领域奋斗了一生，我担心的是最后没达到，让别的国家拿走了，抢跑了。

《科学大师》：您不担心别人会说，哦，郭院士是因为他自己在搞这个，所以当然要极力强调量子计算机的重要性了。

郭光灿：不，其他的量子科研项目，我也搞，我搞得比别人不差，我实验室下面有八个研究室，量子计算机是其中一个而已，还不是人最多的，像量子通信、量子密码、量子传感还有量子基础研究，我都有做，布局得比较全面。但我始终认为，最重要的就是量子计算机，其他的量子项目也不是不重要，我们量子密码也搞了二十年了，也可以用，也可以为国家做贡献，但它的影响度绝对不如量子计算机。

我追求的目标就是在中国把量子计算机搞起来，希望在国际上领先，这是关系到国际未来信息技术竞争的成败。我可以讲，谁先把量子计算机搞出来，谁就占了制高点，就是一个强国的标志。它确实无人可以超越，所以我认为这个才是一个时代的标志。

《科学大师》：从实际社会生活出发，这个量子计算机研制出来，对社会生产力会带来什么改变？

郭光灿：比如我处理数据快了，原来是做不到的，比如制药，你半年才搞一个，我一个月或几天就给你模拟好了，你制药速度不是更快、更准确了吗？所以整个生产力会大大提高，因为计算才是整个生产力的工具嘛，是很重要的工具。

三，中国如何做才能在量子计算上取得优势？

《科学大师》：既然量子计算很重要，大家在意识上也在不断提升，您觉得中国会有机会取得突破么？

郭光灿：很难讲，中国人如果就是以论文为导向，不管其他，很悬。这种技术上的突破，要慢工去做，要有工匠精神，要追求很细致的钻研，你才有积累，才有突破。如果你说我反正就要出篇好文章，我就找哪个最能、最容易出文章的（方向）去做，这样你永远做不了。现在科学界太浮躁，太功利了，你多发表几篇文章，文章数量很多，引用率很高，但最后技术（还）是人家的，专利（还）是人家的，你还向人家买东西，我们国家这样不可能是强国。

为什么我说美国发展得那么快，他们是公司投入，公司不是以发表文章为导向，他是以占领市场为导向。量子计算机是他的，量子算法也是他的，量子软件也是他的，你带着他的软件，量子操控系统你也带着他的，你要等他把整个高地都占完了，你打不过（他了）。

包括美国自己的公司也相互竞争，不光是跟别的国家。美国政府也希望他们互补，所以白宫曾经把几个公司召集起来开会，说你们不要太竞争，我们还要整个国家来对外竞争。那我们中国人傻乎乎的，只是还在那儿搞文章，我们肯定不如人家的，应该做有竞争能力的体现国家实力的这种技术和器件，以这种研究为目的才行。如果你说我研究这个对我提职称没用，我提不了教授、我当不优青、当不了杰青、当不了院士，那完了。

当然，国家起码在政策上也要鼓励这些人，给这些人相应的待遇和职称，让他们全力以付来做这件事，国家要看到这个现实。我认为这是双方面的。

《科学大师》：您之前提出要用两弹一星的精神来做量子科研，为什么这样主张？

郭光灿：中国当年搞两弹一星时比较穷，力量不够，经费也不够，怎么跟美国竞争啊？我举国家的力量来干这个事，一定能搞出来。个人小打小闹一定搞不出来。

现在放到量子科学上我还这么讲，量子计算机要不这么做，我们还是搞不过人家的，他们大公司什么都有，我们光靠实验室、大学、研究所单打独斗是不可能的，我们的公司也没有美国的好和大，实力也不强。

还是要有一个制度优势。一是在这个领域里要以目标为导向，改变以论文为导向的做法，我就要把量子计算机做出来，实现可应用的目标。量子计算机先搞，不要追求发表什么文章，基础研究你发表文章可以，但这种对国家有重要意义的，而且已经证明了的，目标明确，你就探索去。

第二是队伍的问题，必须整合。量子计算机不是一个方面，方方面面的人都有，硬件、软件、材料、操控系统等等，要把做这些方面的最强的队伍整合起来，大家分工，你做这个我做那个。这样做，才有可能拉近和美国的距离，否则你没法跟他们竞争。

国家要做这件事，想办法给他们钱，把最强的力量组织起来，这个要组织大部队，不是游击战，尤其是现在已经落后人家了，要赶过人家更难。不仅仅是经费的问题，更重要是组织的问题。

四，别人是卡不住我们脖子的

《科学大师》：我们之前采访也了解到，由于国际形势的变化，我们国家的量子科学家在被人卡脖子，某些方面被禁运。量子科学这一块，能怎么卡我们？

郭光灿：卡脖子是在底层，就是材料这一块，另外搞实验你得有仪器，做实验的元器件也被卡。以前外部环境好的时候，我们这些底层的东西没有被卡，我们就拿钱买来做实验就行了。现在他们在仪器上卡我们，尤其是关键仪器卡我们，我们就自己做，虽然开始我们做慢点儿，性能上不一定最优，但多少年后总有我自己能做出来的。

问题是，当我们的仪器自己能做了，他又在仪器所用的材料上卡你了，导致我们就又要从原材料做起，所以卡脖子是在这一层。这也不光是在量子上面，几乎所有领域都面临这样的情况，是普遍的，包括互联网领域都这样。

我们（量子科研）用的原材料，主要是硅，特殊晶体，对这种材料要求的纯度非常高，还有其他一些材料。我们本来就应该发展这些东西的，但以前国内人没有这个意识，就靠从外面买，觉得买来就行，所以导致做基础材料的人很少，而且又不容易出成果，周期又长，他又发表不了文章评职称，没有太多人愿意做这个。中兴事件以后，国家重视了，只要是卡脖子的技术，什么卡脖子，我得赶快做起来，我得扶持。

但是现在反过来又出现一个现象，什么技术都讲自己被卡脖子，实际上有些不是。现在国内这些人就是混水摸鱼，你不是希望扶持被卡脖子的嘛，我就什么都说是卡脖子的，突出自己的重要性，这个风气也很不好。

《科学大师》：那这个卡脖子的问题岂不是很棘手，我们能应对得了么？

郭光灿：卡不住我们的，我最多就是做慢一点，还是能做出来的。材料上也是可以变通的，还不至于像中兴那样，我的芯片完全靠他供给，他一断货我就生产不出来了，量子科研不会到这个地步。

人家不卖东西给我们，是会有影响，但现在我们基本大的仪器都买齐了，受影响的是材料，最关键的是那个材料，但我们暂时还有之前买来的备用的，另外从美国以外有些也能找到，总还有活路。

我们国内开始自己做，做到一半以后达到要求了，慢慢就过了这个瓶颈，我们就可以强大起来。像华为一样的，主要的东西我自己有，你卡我没用。

五，竞争力的指标之一就看掌不掌握核心专利

《科学大师》：听您这么讲，我们的科学家还是有底气的。

郭光灿：我这边2006年就开始做（量子计算科研）了，到2011年才拿到国家给的一笔大钱，真正开始做大的实验。我们的专利在国际上排名第十二，是国内唯一一家进前二十的，就是量子计算机的专利。IBM有一个小组专门关注我们实验室的进展，我们一有进展，他们马上报道。

我们希望在世界第一梯队中能有自己的知识产权和核心专利，哪怕你做出量子计算机，我也做出量子计算机，我有核心专利，你也有，我们可以互相交换，不至于说我一点都没有，全部让人掌握住，那我就完了。

我说的是核心专利，不是一般专利，就是你要做量子计算机，我这个专利是绕不过去的，这才是核心专利，他就得买你的，所以现在是比拼谁拿到的核心专利最多。如果双方都有核心专利，那我们就相互交换吧，我们就讨价还价，竞争就在这儿。

像我们所做的北京到天津的量子密码稳定性，这个专利我认为就是最重要的，它是国际专利，哪个国家都需要我们的专利，你绕不过去，一定要向我买。

竞争不一定是你独霸天下，把所有人都打死，但人家做在前面，把所有的专利都拿走了，你后面跟着他，你就掌握不了多少核心专利，这就是我担心的东西。

六，量子性不稳定的问题已有求解办法

《科学大师》：我们知道，量子是一种很难捉摸的东西，它是不稳定的，就是您前面也提到的相干性的问题，很容易受外部环境影响，这个是怎么回事？

郭光灿：十年前我做天津和北京的两地试验（指在量子密码研究中，2004年郭光灿团队在原网通公司的商用光纤上实现从北京到天津之间125公里单向量子密钥传输），就是要解决一个关键技术问题，这是我们一个专利。

我们在实验室里做，发现相干性非常不稳定，一个光子你要让它保持相干性很难，动一动就死掉了，敲一敲桌子它就丢了，这叫稳定性问题。你实验室里都不稳定，要拿到郊区普通的光纤里，经受风吹雨打，那个影响更大，所以要解决稳定性问题，是要绝对稳定的，你拿到哪儿应用都是稳定的才可以。

科学大师：现在还无法解决相干性稳定的问题吗？

郭光灿：目前看，相干性想要常态化地保持下去，在宏观世界里还不行。不过能解决，物理学家已经提出可以解决的理论方案，叫做纠错容错编码，就是指在宏观领域里把相干性保持到足够长，但技术上要实现非常困难。你对量子比特操控的能力很差，这就麻烦了，这是技术问题。这些问题不解决，量子计算机永远做不出来。 阅读原文