​​中国的量子跃迁 | 袁岚峰

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导读：我希望，我们每一位朋友和我们整个国家，都能超越自己，实现量子跃迁。

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本文是作者2022年1月参加字节跳动主办的年度活动“新知十讲特别策划”的演讲文稿，视频见https://www.ixigua.com/7051459542873276931。

大家好，我是科技袁人袁岚峰，来自中国科学技术大学。感谢字节跳动邀请我参加年终特别策划，作为十大年度知识人物之一来讲讲今年的“变化”。确实，2021年对我和对整个中国科学界来说都发生了重要的变化。

最显著的变化之一，是中国在量子计算领域也达到了世界领先。以前中国是在量子通信方面领先，在量子计算方面落后于美国，然后2020年跟美国达到了并驾齐驱，而今年又在某些方面超越了美国。

不久前，大家可能都看到了一个实验室漏水、学生抢救受奖励的报道（https://mp.weixin.qq.com/s/x3xn-J8RlxJd-2u9Mo1S6Q）。可以告诉大家的是，那就是我所在的实验室！就是合肥微尺度物质科学国家研究中心，简称微尺度。

这个故事是这样的。11月21日凌晨两点，有一位同学去做实验，发现有个房间在漏水，波及到了自己的实验室。在这个实验室内有180个通道的超导纳米线探测器，如果没有得到及时处置，将造成至少2400万元的经济损失，而且会延误“九章三号”实验一年以上。他立即召集隔壁的四位其他同学一起引水，并通知物业关闭了水阀。事后，微尺度决定奖励这五位同学12万元。

其实这事刚一出来，我就收到了微尺度的通报信件（https://mp.weixin.qq.com/s/8andQalF6kxnOBzfUOBKkg）。我看完以后就默默地把它放在一边，没有跟任何人说。每当我科普一个比较神奇的科技，都会有人在评论区说担心泄密，但实际上我对保密的警惕性是非常高的。然而一天之后，就有不知道什么人把这消息发到自媒体上去了，然后一下子全国的自媒体都在报，然后全国的官媒都来报。令我和同事们欣慰的是，读者的反响都很正面，这成了一件神奇的坏事变好事。我们中国人民还是很可爱的！

关于对理化大楼06-004实验室漏水进行及时处置的相关人员进行奖励的通报

在这则新闻中有好几个关键词。许多人注意到了“凌晨两点”，感叹科大的学生这么勤奋。许多人注意到了“奖励12万元”，称赞科大的领导很有魄力。不过在技术上，最重要的关键词是“九章三号”，因为它是中国正在研制的、世界上最先进的光量子计算机。

2020年12月4日，第一代的“九章”量子计算机全世界刷屏，它对“玻色子取样”这个问题超越了最强的经典计算机一百万亿倍，标志着中国在量子计算领域跟美国达到了并驾齐驱，领先其他国家。2021年10月26日，“九章”升级成了“九章二号”（https://mp.weixin.qq.com/s/_HvxJ3D69tPUUza1AuAqew），光子数从76增加到113，对经典计算机的优势从一百万亿倍增加到了一亿亿亿倍，即从10的14次方增加到10的24次方，又提高了10个量级。“九章三号”会达到什么程度呢？非常值得期待。通过这次的报道，让全国人民都知道了“九章三号”的存在，这也是个意外的收获。

九章二号1

九章二号2

其实在这之前不久，还有一个只有专业人员注意而普通群众不太清楚的进展，就是中国消灭了美国的量子优越性。请注意这不是个情绪性的表述，不是说中美两国在进行你死我活的搏斗，而是说量子计算机和经典计算机在赛跑，美国本来让量子计算机取得了优势，最近中国科学家又改进了经典计算机，让它反超了量子计算机。这是一个良性竞争，是量子和经典双方在互相学习、共同进步，而不是零和博弈。

让我们具体解释一下。所谓量子优越性（quantum advantage），就是对某个问题，量子计算机超过最强的经典计算机。例如九章这一系列，就对玻色子取样这个问题实现了量子优越性。其实这个概念刚提出来的时候叫做量子霸权（quantum supremacy），后来许多人觉得这个词听着像霸权主义，让人不舒服，所以现在更多地叫做量子优越性了。但这只是个修辞的问题，无论叫量子霸权还是量子优越性，实质意思都是一样的。

2019年10月23日，谷歌宣布自己的量子计算机“悬铃木”（Sycamore）实现了量子优越性。它处理的问题叫做“随机线路取样”，这是一个对经典计算机十分困难、而对量子计算机相对容易的任务。悬铃木取样200秒获得了100万个数据，而当时最快的超级计算机“顶点”（Summit）获得同样的数据需要一万年，所以实现了量子优越性。

然而，在那之后立刻有很多团队来改进经典算法，力图反超悬铃木。例如IBM立刻提出了一种方案，可以把经典计算机的时间缩短到两天半。当然两天半还是比200秒长，但差距已经大为缩小了。这有助于大家理解，这是量子和经典之间的竞争，而不是中美国家之间的竞争，你看IBM也在努力推翻谷歌的优势嘛。其他一些机构，如阿里巴巴达摩院，在这个目标上也取得了成果。

2021年11月，经典计算机实现了突破。中国科学院理论物理研究所张潘研究员的团队对经典算法做出了重大改进，15个小时就完成了悬铃木的任务。你也许会说，15小时还是比200秒长啊？是的，但张潘他们用的只是一个512块GPU的计算集群，这个计算能力是很小的，只是用来演示算法。他们预测，把这个计算迁移到我国最新的超级计算机即新神威上，就可望在几十秒内完成，短于200秒。这就正面击败了悬铃木。因此，理论物理所报道这项工作的标题就叫做《谷歌量子霸权的瓦解》（https://mp.weixin.qq.com/s/MpoF_Gy4QzVWNtD5O1Q2hQ）。

张潘等人的论文

从量子计算的角度，来看一下当前的大图景。中国在至少一种物理体系上实现了量子优越性，即九章系列用的光学体系，这也是人类目前唯一可靠的量子优越性。美国原本在悬铃木的超导体系上实现了量子优越性，但现在被经典计算机反超了。所以美国实现量子优越性的体系数从1变成了0，又跟其他国家一样了。

在美国原本具有优势的超导体系上，中国也在大踏步地前进。2021年10月26日，潘建伟团队在宣布九章二号的同时，还宣布了另一台量子计算机，叫做“祖冲之二号”（https://mp.weixin.qq.com/s/zxDSXbklrhRKwDegd1etyg）。它是今年5月6日发表的“祖冲之号” （https://mp.weixin.qq.com/s/GaAy15LBfSe-4G9PhAQKuQ）的升级。祖冲之二号跟悬铃木一样也是超导体系，执行的任务也是随机线路取样，但复杂度比悬铃木高得多。这就引出了一个有趣的问题：张潘等人的经典算法能不能反超祖冲之二号？我问了张潘，回答是不知道，因为他们还没来得及研究祖冲之二号。所以你看，中国内部也在进行量子与经典的竞争。

祖冲之二号

总结一下，中国有量子优越性的物理体系数可能是1，即光学，也可能是2，即光学加超导。而其他国家都是0，包括美国从1变成了0，所以中国在这方面世界领先。

当前最有趣的是，最强的量子计算机是中国造的，最强的反超量子计算机的经典算法也是中国提出的。这场“左右互搏”十分奇妙，中国在量子计算领域和经典计算领域都在引领世界（https://mp.weixin.qq.com/s/MmaZ5p7-LAdHhKeyqyxzfg）。

量子信息这门学科，包括量子计算、量子通信和量子精密测量三部分。下面，我们来讲讲今年中国在量子精密测量和量子通信的成果。

量子信息的三个分支

一个最近的例子，是11月29日人民日报微信公众号发了篇文章《中科大发布新成果！》（https://mp.weixin.qq.com/s/hAhw8LAWHCuxfca-0dPFVg），点赞上万。可以看出人民日报的编辑和绝大多数读者一样，都是“我看不懂，但我大受震撼”，于是起了这么一个既自豪、又懵懂、又放弃治疗的标题，仅仅说“中科大发布新成果”，结尾叹号，完全没说这是个什么成果。

实际上，这是我的同事和朋友彭新华教授团队的成果，她几个月以前就跟我说了这件事。最近论文正式发表了，于是开始通报媒体宣传了。我给大家简单地解读一下，这是一个探测暗物质的工作。

请大家看这两张图。前一张是以前的大型天文学观测给出的暗物质界线，就是说暗物质只可能存在于这条界线之下。这条界线还比较高，所以我们看到暗物质粒子在里面游来游去，嬉皮笑脸。后一张是彭新华等人用量子精密测量的方法给出的新界线，比以前一下子低了5个数量级。所以我们看到，暗物质粒子在里面没多少地方可游了，愁眉苦脸。好比在一个鱼塘里抓鱼，我们可以说，量子科技承包了这片鱼塘！

大型天文学观测给出的暗物质界线

桌面式实验观测给出的暗物质界线

有人也许会问，这个成果能不能得诺贝尔奖？回答是：还不能，因为它只是缩小了暗物质可能出现的范围，还没有找到暗物质。也就是说，它处于“工欲善其事必先利其器”的阶段。如果将来找到了暗物质，那当然就远不止是诺贝尔奖了，而是引发科学革命。

在量子通信领域，中国有非常明确的优势，大约领先欧洲3至5年，领先美国5至8年。​​​​​