量子计算是一种基于量子力学的计算模式，利用量子比特作为信息编码和存储的基本单元。

量子计算机可以在极短的时间内完成传统计算机无法实现或需要很长时间才能实现的任务，例如解决复杂的优化问题、模拟复杂的物理过程、加速人工智能等。

量子计算机的计算能力存在远超传统计算机的潜力，可以将某些在电子计算机上指数增长复杂度的问题变为多项式增长复杂度。

2020年12月4日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、中国国家并行计算机工程技术研究中心共同合作研发的76个光子的量子计算原型机“九章”宣布构建成功。

2021年10月26日，113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”宣布建成。该原型机达成了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（旧称为量子霸权）。

这意味着“九章”对于处理某些特定问题的速度比超级计算机“富岳”快100万亿倍，并声称等效地比谷歌的超导量子比特计算机“悬铃木处理器”（Sycamore processor）快100亿倍。

那么，“九章”是如何实现这样惊人的性能的呢？它又有哪些实际应用和前景呢？

“九章”的原理和特点

“九章”的名字来源于中国最早的数学专著《九章算术》，寓意着中国在数学和科学领域的悠久历史和创新精神。

“九章”采用了光学量子计算的方式，即使用光作为物理载体来实现量子比特和量子逻辑门。

光学量子计算有以下几个优点：

- 光具有很高的纯度和稳定性，不易受到环境干扰，因此可以降低误差率和提高可靠性。

- 光可以在自由空间中传播，不需要特殊的芯片或线路，因此可以减少成本和复杂度。

- 光可以通过非线性光学效应来实现多光子之间的纠缠和操作，因此可以提高并行度和效率。

“九章”的核心部件是一个巨型光学平台，占地约2平方米，上面布满了数百个镜片、分束器、相位器、探测器等元件。

这些元件构成了一个复杂的光路网络，可以实现对光子的精确控制和测量。

“九章”的工作原理是这样的：

- 首先，通过激光和非线性晶体，产生一束包含76个单光子的纠缠态光。

- 然后，将这束光输入到光学平台上，经过一系列的分束、反射、相移、重组等操作，实现对光子的量子逻辑门操作。

- 最后，将输出的光子通过探测器进行测量，得到计算结果。

“九章”的主要功能是解决一个叫做高斯玻色取样（Gaussian boson sampling，GBS）的问题。

这是一个在经典计算机上非常困难的问题，但在量子计算机上却可以高效地解决。

GBS问题的意义在于它可以用来模拟复杂的分子结构和化学反应，从而为材料科学、生物医药等领域提供有价值的信息。

“九章”的研发团队利用“九章”对GBS问题进行了测试，并与“富岳”进行了对比。

他们发现，“九章”求解5000万个样本的GBS问题只需200秒，而“富岳”则需要6亿年；当求解100亿个样本时，“九章”需10小时，而“富岳”则需要1200亿年。

这就证明了“九章”在这个问题上具有量子计算优越性。

“九章”的应用和前景

“九章”的成功构建，标志着中国在量子计算领域取得了世界领先的成果，也为量子计算的实际应用开辟了新的可能性。

“九章”可以用来解决一些传统计算机难以处理的问题，例如：

- 人工智能：量子计算可以加速人工智能的学习和推理过程，提高其准确性和效率。

例如，洛克希德马丁公司计划利用其D-Wave量子计算机来测试因为过于复杂而无法在传统计算机上运行的自动驾驶软件，Google也正在利用量子计算机来设计能够将车辆与地标区分开来的软件。

- 分子建模：量子计算可以对分子相互作用进行精确建模，为化学反应找到最优配置。

这可以带来更高效的产品，从太阳能电池到医疗用药都是如此，尤其是化肥产品。化肥占全球能量消耗的2%，更高效的化肥对全球能量和环境益处深远。

- 加密：量子计算可以破解传统的基于大数分解或椭圆曲线等数学难题的加密方法，也可以利用量子纠缠等特性来实现更安全的量子加密方法。

这对于网络安全、信息保护、隐私保护等领域都有重要意义。

- 金融建模：量子计算可以处理复杂的金融数据和市场模型，提供更准确和高效的风险评估、投资策略、套利机会等信息。

- 天气预报：量子计算可以模拟复杂的气象系统和气候变化，提供更精确和及时的天气预报和灾害预警。