中國第三代自主超導量子電腦「本源悟空」上線運行

一、中國第三代自主超導量子電腦「本源悟空」

    1月6日，央視報導中國第三代自主超導量子電腦「本源悟空」在本源量子運算科技公司上線運行。據介紹，這台量子電腦搭載72位元自主超導量子晶片“悟空芯”，是目前中國最先進的可編程、可交付超導量子電腦，而超導量子電腦是基於超導電路量子晶片的量子電腦。國際上，IBM與Google量子電腦均採用超導技術路線。安徽省量子計算工程研究中心副主任孔偉成博士介紹，“本源悟空”匹配了本源第三代量子計算測控系統“本源天機”，在中國首次執行了量子晶片的批量自動化測試，量子計算機的整機運作效率提升了數十倍。量子運算晶片安徽省重點實驗室副主任賈志龍博士稱「悟空」搭載的是72位元超導量子晶片「悟空芯」。這款晶片在中國首條量子晶片生產線上製造，共有198個量子位元，其中包含72個工作量子位元和126個耦合器量子位元。據悉，此次發布的中國第三代72比特超導量子電腦取名“悟空”，來自中國傳統文化中的神話人物孫悟空，寓意如孫悟空般“72變”。之前，本源量子第一代、第二代超導量子電腦均已交付中國用戶使用。本源量子擁有中國首條量子晶片生產線、中國首款量子電腦作業系統、中國首個量子運算測控系統。本源量子計算專利數排名中國第一、全球第六。中國第三代可交付超導量子電腦科學研究團隊主要負責人、中國科學院量子資訊重點實驗室副主任郭國平教授說，中國可交付自主超導量子電腦雖然取得了一定的進展，但是要清醒看到和世界量子計算強國間尚有不小差距。中國基層量子運算科學研究團隊要透過一代又一代人的接續艱苦奮鬥，繼續緊緊咬住全球量子運算科技前沿，把量子電腦關鍵核心技術牢牢掌握在中國人自己手裡，力爭造出更強的量子計算機。

    前些時候，中國成功建構了255個光子的量子計算原型機“九章三號”，再度刷新了光量子資訊的技術水平和量子計算優越性的世界紀錄。 這不僅證明了量子運算技術的可行性，而且對於拓展人類認知的邊界、提升國家競爭力、為國家資訊安全提供保障具有重要意義。不斷迭代展現了中國在量子運算領域的持續進步。「九章三號」是一台光量子運算原型機，由中國科技大學等多家單位合作研發。「九章三號」是光量子計算技術路線上的重大突破，量子計算的技術路線包括許多不同的方法，主要有超導量子計算、離子阱計算、光量子計算、半導體量子計算。 另外還有一些其他的技術路線，如極化分子計算、矽中的電子或核自旋計算等。 「九章三號」採用的是光量子計算技術路線。 光量子計算使用光子作為資訊載體進行計算，其主要優勢在於理論上可以實現無限平行計算，且不存在量子糾纏問題。光量子計算在解決特定問題時具有較高的效率和速度，例如對於搜尋無序資料庫等問題，光量子計算相對於經典計算具有指數級的加速優勢。「九章三號」量子計算原型機在處理高斯玻色取樣數學問題上的速度上有著顯著的突破。「九章三號」處理高斯玻色取樣的速度比上一代「九章二號」提升了100萬倍，處理某些問題的能力遠超傳統計算機。「九章三號」採用了時空解復用的光子探測新方法，構建了高保真度的準光子數可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算複雜度。 這意味著「九章三號」在操作和測量量子位元時，能夠盡可能地減少誤差，保持量子位元的初始狀態，從而提高量子計算的精度和可靠性。

二、量子電腦的用途

   相對論及量子力學是近代物理的兩大支柱，量子力學可解釋許多自然現象也有許多用途，量子有疊加與糾纏兩個重要性質。在量子世界中是不確定的，可以有部分機率是一種狀態，同時也有部分機率在另外的狀態，這樣的性質就是量子疊加，在古典物理中，一個系統只能處於一種物理狀態，就好比傳統計算機的記憶體位元只能處於0或1狀態，在實際測量量子狀態之前，我們無從得知系統是處於那種狀態。糾纏是數個量子態之間的奇妙連結，量子計算便是以糾纏和疊加來計算開始的始初態，之後便以量子閘來執行量子演算法所需的運作。量子演算可以快速進行的原因是因為糾纏與疊加量子位元後所造成的量子狀態運作時是平行運算，這是量子霸權的技術與科學基礎。量子計算機為什麼遠勝過超級計算機，因為傳統計算機都是照一定規則處理“0、1”二進制數據。所有文字、圖片、視頻等信息，在計算機中都用“0、1”數據來表示。每一位0或者1都被稱為一個比特，在傳統計算機中，一個比特在某次計算中要麼是0，要麼是1，只能表示為一個狀態。量子疊加態是指粒子可以存在於疊加態中，能同時擁有兩個相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。用量子來做計算機的比特，則一個“量子比特”可以同時既為1，也為0。以10個比特為例，傳統計算機一次只能表示0至1023這1024個數中的某一個數，若這10個比特為量子比特，則每一個比特都可同時表示為0和1，這10個比特可以同時表示1024個數，遠遠高於傳統計算機只能表示一個數。因此，量子計算機將能夠極大地提昇運算能力，量子計算機將可助於核試爆、高新技術武器模擬和等軍事領域之計算，在民生領域，如氣候預測、疾病醫療、石油勘測也有很大助益，所以全世界都想掌握量子計算機。  

有些人誤認為量子電腦用途不大，1943年，世界上第一台電腦誕生時，重量達一噸重，每秒5000次算力已震驚了當時的人們。然而，現在一部智慧型手機的算力總和已超過當年整個「阿波羅」登月計畫的算力總和。今天電晶體的小尺寸已逼近物理極限，計算速度將「碰到天花板」。我們把現今全球所有電腦的算力加在一起，一年裡都無法完成「2的90次方」個資料的窮舉搜尋。一方面，是傳統運算模式受到嚴重限制；另一方面，是隨著社會發展，資料呈指數級增長，對運算能力的需求也隨之飛速增長。有些問題之所以無法解決，就是因為算力不夠。例如，密碼破解問題，傳統計算機不是算不出，而是因為算的時間太長。分解一個300位元大數，一兆次傳統電腦需要算15萬年，而一台萬億次量子電腦只需一秒鐘。此外，作為量子計算原型機的“九章”，其強大算力可初步用於量子化學以及一些數學難題的研究，甚至也可用於機器學習的一些研究，在解決傳統難題上能做一些有效探索。目前，“九章”只是“單項冠軍”，但它將在更多領域的探索中，體現出更多應用價值。「九章」的出色表現，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。潘建偉、陸朝陽團隊認為，未來開發的通用量子計算機，能夠解決許多廣泛的問題。例如氣象預報、金融分析、材料設計、藥物分析等，皆具有實用價值。同時，也可用於探索物理學、生物學、化學領域的一些複雜問題。

三、中美量子計算機競爭

    近年來，美國產生許多衰落趨勢，美國為求確保世界霸權，不惜全面圍剿中國大陸科技發展，其實，美國目前贏過中國的項目目前只剩核武器及部分高科技，因此科技競爭將成為未來中美主戰場。中國在量子科技方面領先世界，中美在量子計算機、量子武器及量子通訊的競爭相當激烈。中國大陸非常重視量子計算機的研究，2016年“十三五”國家科技創新規劃中，將量子通信與量子計算機列入“科技創新重大項目，2017年，量子通信與量子計算機被列為“事關未來發展的重大科技戰略任務”的首位。中國團隊最近展示擁有世界上最強大的量子計算機，超越了之前的記錄保持者谷歌。中科大的潘建偉團隊說，他們的量子計算機在一個多小時內解決了一個問題，這個問題可能需要世界上最強大的經典超級計算機八年才能破解，此聲明引起了美國的恐懼輸掉“量子競賽”。中國在整個量子技術領域擁有更多的專利總量，但美國公司在量子計算專利方面遙遙領先。中國的量子研究幾乎完全是國家驅動的，集中在少數大學和公司。相比之下，美國的研究分佈在數十所大學和私營公司。福布斯雜誌報導，習近平主席資助了一個價值數十億美元的量子計算大型項目，預計到 2030 年將實現重大的量子突破。他還承諾斥資數十億建立中國量子信息科學國家實驗室。而美國政府對量子技術的投資與中國相比這些舉措微不足道。世界正在進行一場量子戰爭，這場戰鬥將在研究實驗室中由大腦競技，這場戰鬥的關鍵彈藥是研究資金。

      媒體報導，2019年有兩件引起世人關注，一個是IBM公司在年初的國際消費類電子產品展覽會（CES）上，展出了最新的量子計算機模型，另一個，則是谷歌在《自然》雜誌上發文，宣告“量子霸權”，IBM傳達的只是：把以往被關在數十平方米計算中心裡的量子計算系統，做到了能夠一體化交付的狀態但離真正意義上的商用還相去甚遠。谷歌在《自然》雜誌上發表的（用可編程超導處理器實現的量子霸權）的論文，助其率先實現了量子霸權。論文提到，谷歌團隊研發出了一款由54個量子比特（qubits）組成的量子處理器，命名為西克莫，它只花約200秒的時間完成超級計算機來需要花1萬年才能完成的任務。但中國的祖沖之計算機已後來居上。阿里達摩院發布的2020十大科技趨勢中，趨勢七就是量子計算進入攻堅期。量子計算機技術的實際運用，在經濟上，信息時代是被各種軟件和硬件所支撐的，金融、科技、、軍事、行政、基礎設施等方面的數據庫就是“心臟”，一旦“心臟”陷入癱瘓，所有軍事、行政、經濟基礎都將陷入癱瘓。量子計算機出現後，幾百萬年破譯不了的信息都能破譯，也就是說，一旦一國掌握了量子霸權，其他國家軍事、政治、銀行、基礎設施等諸多方面的數據庫都將很容易遭到攻擊，無論再強大的國家都可能在瞬間癱瘓。例如在導彈攔截過程中，攔截導彈的運行速度及攔截方運算的速度是戰鬥勝利的關鍵，各國比拼的實際就是飛彈軌跡運算速度，量子計算機的速度優勢是無庸置疑的。