九章三号如何遥遥领先？袁岚峰老师的解读来啦！

2023-10-14 12:10

大家好，我是中国科学技术大学袁岚峰。大家是否还记得2021年的一个新闻，中国科学技术大学一个实验室漏水，凌晨两点来工作的博士生及时处置了险情，学校奖励5位同学12万元（凌晨两点拯救九章三号，微尺度五位同学获奖励 | 袁岚峰）？其实那个实验室就是我所在的合肥微尺度物质科学国家研究中心，我们中心给老师们发了内部邮件通报，所以我比任何外面的人都早知道这事。我看到这封信，就把它默默地放到一边，没有跟任何人说。但过了一天，不知谁把通报发到网上去了，结果非常有趣，引来了一片赞誉，许多官方媒体都来报道。

这事之所以令人夸奖，除了同学们如此勤奋、学校如此富有人文关怀以及微尺度刚刚上了美国商务部的实体清单之外，还有一个因素是“九章三号”。通报邮件里提到，漏水如未得到及时处置，会延误“九章三号”实验一年以上。

九章三号是什么？我在当时就科普过，它是潘建伟院士、陆朝阳教授等人的团队正在攻关的量子计算机。九章是2020年12月全世界刷屏的量子计算机，九章二号是2021年10月公布的升级版，这个新闻让大家知道，九章三号也在路上了。所以懂行的网友们，当时就很兴奋。

现在我可以告诉大家的是，九章三号正式问世了，不久前发表在顶级物理学期刊《物理评论快报》上。

（由新华社录制，墨子沙龙重新剪辑）

下面，我就来介绍一下这里的大图景。

首先，这项研究属于量子计算。什么是量子计算？就是利用量子力学的原理，对某些数学问题有望实现远超经典计算机的算力。量子力学是当今物理学两大基础理论之一，跟相对论并列。大家如果想对量子力学、量子计算有比较深入的了解，欢迎来看我的科普书《量子信息简话》。

其次，量子计算用很多种物理体系都有可能实现，目前最主流的是超导和光学，此外离子阱、冷原子等等也有很多人在研究。九章系列用的物理体系是光学，跟超导相比，光学的一大优势是不需要低温。所以看《流浪地球2》的时候，看到里边的量子计算机MOSS在常温下就能用，我估计它就是一台光量子计算机！

再次，量子计算机并不是对所有问题都快，而是只对某些问题特别快。因此，提到量子计算机的时候，内行就会问它处理的是什么问题。九章系列处理的问题叫做“玻色子取样”，这个问题特别适合光学体系。

然后，九章系列实现了一个重要的里程碑，叫做“量子优越性”，就是说它做玻色子取样时，比最强的经典计算机还要快。快多少倍呢？2020年的九章是快一百万亿倍即10的14次方倍，2021年的九章二号是快一亿亿亿倍即10的24次方倍。现在，九章三号是快一亿亿倍即10的16次方倍。咦，倍数怎么反而下降了？这就是我们要解释的下一个问题。

实际上，这个倍数是跟经典计算机的算法有关的。在这两年中，经典计算研究者极大地改进了玻色子取样的算法，也就是说经典计算机变聪明了，因此缩短了与量子之间的差距。如果算法不变的话，九章三号的计算量就是九章二号的一百万倍，因为九章三号比二号能操纵更多的光子，九章三号最多能操纵255个光子，而九章二号是113个。也就是说，量子计算机自身的实力提高了6个量级，同时量子对经典的优势却被拉近了8个量级。这反映了这个领域的蓬勃兴旺，量子和经典之间的这种良性竞争，给双方都带来了巨大的进步。

其实，经典算法的改进不仅可以缩短跟量子的差距，甚至可以反超量子！在超导体系中，就发生了这样的事。

2019年，谷歌第一个实现了量子优越性。当时他们用的物理体系是超导，量子计算机叫做“悬铃木”，处理的问题叫做“随机线路取样”。一开始，他们宣布对经典计算机有十亿倍的优势。但此后立刻有许多人改进经典算法，改进到2022年，戏剧性的事情发生了：中国科学院理论物理研究所的张潘研究组提出一种特别高效的算法，硬生生地反超了悬铃木。

所以在这个领域里，不要觉得十亿倍的优势很多哦。只要人们多开动脑筋，十亿倍也是说没就没。反过来看，九章系列在经典算法迅速进步的情况下，仍然保持了巨大的优势，现在大家明白这有多么了不起了吧？

实际上，这个领域最显著的特点之一就是巨大的数量级。看看我们刚才提到的倍数，动辄就是连续几个亿字，这正说明了基础研究的重要性和颠覆性。许多人觉得只有解决眼前现实问题的研究才重要，基础研究属于浪费钱。但实际上，没有基础科学，就不可能产生颠覆性的进步，所谓创新只能是小打小闹。基础研究既是艰苦的、严格的、缓慢的，又是激动人心的、革命性的和具有催化作用的。

九章取得了这么大的成绩，那么它花了多少钱呢？许多人以为它是个巨大的工程，怎么也得花好几亿吧。当研究者告诉他们，其实只是带了几个学生，用了3000万的经费时，大家就非常惊讶。跟谷歌对比一下，就更惊讶了，因为悬铃木的花费达到10亿美元。所以《Nature》报道过，科大的团队是以不到谷歌5%的人员规模和1%的经费，挑战了谷歌的量子霸权，把光子推到了量子计算的世界舞台中央。