量子计算：在一些特定领域上相对经典计算有优势

早在上世纪80年代，就有科学家提出了将量子效应引入信息处理的构想，量子计算的概念开始出现在世人眼中。经过近四十年的理论和技术发展后，量子计算正逐渐从模糊的构想化为现实。

量子效应与日常世界存在很大差异。在经典计算中，信息由“比特”表示，具有“0”和“1”两种状态，通过“门”来操作比特、执行计算。但量子计算机中用到的“量子比特”则与经典比特完全不同。

量子计算利用量子力学基本特性计算，是一种完全不同于经典计算的计算模式。量子比特不仅可表示“0”或“1”两个状态，同时还能表示两个值任意权重的叠加。这意味着1个量子比特对应一个2维空间，N个量子比特对应的则是2的N次方维空间。

这些特点使得量子计算机具备了极强的并行计算能力，这种强大的运算能力也让量子计算机有可能完成部分经典计算机无法解决的任务。

国盾量子高级工程师杨威风博士就向观察者网表示，量子计算机的计算能力是一个指数级的加速，将来它的计算能力相对于经典计算机有质的提升。

国盾量子专家杨威风博士

另一位业内专家也告诉观察者网，由于量子计算机计算能力随着规模指数增长，在量子计算与经典计算的这场竞赛中，量子计算可以轻松保持优势。量子计算利用量子力学的基本特性进行计算，是一种完全不同于经典计算的计算模式。

“祖冲之二号”、谷歌“悬铃木”和超级计算机“富岳”完成随机线路采样问题时间对比 图自中科院量子计算云平台

不过专家同时指出，经典计算机的算力以及算法在不断发展，量子优越性演示不是一蹴而就的事，而是一个过程。“量子计算解决一个具体问题还需要有相应的量子算法，目前只在一些特定领域的问题上有高效的量子算法。因此量子计算只在一些特定领域的问题上相对经典计算有优势，并不能替代经典计算机。”

他表示，量子计算机的优势在于可通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面，获得比经典计算机更强的算力。大规模通用容错量子计算机可以在化学反应计算、材料设计、药物合成、密码破译、大数据分析和机器学习、军事气象等领域产生颠覆性影响。

“研制容错的通用量子计算，因其苛刻的容错阈值和大尺度的量子比特数目，离目前人类的科技发展水平尚有不小的差距。在容错的通用量子计算研制出之前，带噪声的中等规模量子计算机也有望在特定领域找到有实用价值的应用，预期应用包括量子机器学习、量子化学、量子近似优化等。”

对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：

一是发展具备50到100个量子比特的高精度专用量子计算机，实现计算科学中的“量子计算优越性”里程碑；二是研制可相干操作数百个量子比特的量子模拟机，用于解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题；三是研制可编程的通用量子计算原型机。

如今，我国刚刚实现了在光量子计算和超导量子计算两个物理体系中达成第一个里程碑。

在其他技术路线方面，中国同样也没有放慢研究的步伐。杨威风表示，我国的光量子和超导量子计算现在都处于世界领先水平，而诸如离子阱、硅自旋等技术路线的研究同样在进行中。

业内专家也向观察者网透露，在超冷原子体系上，我国目前整体与欧美发达国家处于并跑状态，在规模化原子纠缠的制备与操纵，对自旋轨道耦合、超冷分子反应等的量子模拟方面取得了系列重要成果，为解决若干经典计算机难以胜任的复杂问题奠定了基础。

“没想到他们竟然会在一周里同时公布两个量子计算结果”

其实早在今年6月，“祖冲之二号”和“九章二号”的论文就已在预印本平台arXiv提前公开，这一系列成果也很快引起国际学术界、媒体和公众的广泛关注。有国际同行大赞潘建伟团队取得了令人印象深刻的进步。

美国知名科普杂志《科学美国人》7月就以“新的研究表明，中国在全球量子竞赛中取得领先”为题发文称，在2017年中国科学家从“墨子”号卫星发射纠缠光子、进行首次量子安全视频通话时，中国已在量子通信方面取得领先，而新的成果表示这种优势已经扩大到量子计算领域。

得克萨斯大学奥斯汀分校知名量子计算机科学家、高斯玻色采样的共同提出者斯科特·亚伦森（Scott Aaronson）也告诉该杂志，这是一个令人兴奋的成果，“我没想到他们竟然会在一周里同时公布两个量子计算结果。”

美国在量子计算机领域的发展也极为迅速。2016年，美国IBM公司就率先推出一台5量子比特的量子计算原型机。2019年，美国谷歌公司又宣布成功研制53个量子比特的超导量子计算机“悬铃木”（Sycamore），并完成了量子随机线路采样的快速解决，首次实现量子计算优越性的里程碑。

潘建伟团队取得的最新成就也随之引出了一个问题，“中国在量子信息技术上领先美国了吗？”