中国量子计算机研究再获突破，比超级计算机快上亿倍

如果说仰望星空，天上涌动的星辰代表相对论，那么进入原子、中子、电子的数学意识流的微观世界，就是量子力学的绝对领域，而在这个绝对领域中，中国是老大。

10月底，中科大传来了一个重磅消息。“祖冲之二号”和“九丈二号”打破了量子计算机记录。中国已成为世界上唯一的二元物理系统。，一个实现“量子计算优势”的国家。

也就是说，中国再次成为世界第一！

但要想真正了解这则新闻的分量，首先要了解一点量子力学的知识，这不同于公众对量子力学奥秘的认知。事实上，量子力学是现代应用最广泛的物理学。计算机、芯片、电话和光缆都在量子力学的摇篮中成熟。

真正让量子力学背负“形而上学”这个假名的，其实是量子力学的“三大深意”：叠加、测量、纠缠。

他们彻底颠覆了宏观世界的常识，让爱因斯坦听到了这样的理论，说出了“上帝不掷骰子”这句名言，明白了“三个深奥的含义”，就能明白为什么量子力学是真正的科学的未来。

中国的成就有多重要？

很难，赶紧上车。

经典力学告诉我们，一个物体的状态是确定的，就像一只猫，它要么是活的，要么是死的，但量子力学告诉我们，物质的存在是状态的线性叠加，也就是说，一只猫既是活的，也是活的和死，这叫做薛定谔猫状态。

听说过薛定谔的猫吗​​？

那只猫被密封在一个装有毒药和食物的密室里。密室里有放射性原子。如果原子核衰变，猫就会被释放出来的毒药毒死，衰变的概率是50%。

也就是说，在我们打开盒子观察猫的状态之前，猫是处于生死并存的状态，是一种叠加态。薛定谔的思想实验驳斥了爱因斯坦的“上帝不掷骰子”，海森堡的思想实验会告诉我们，微观世界的月亮是不能乱看的，看了之后可能会发生变化。

给定一个绝对真空的室，一个可以发射任意波长和数量光子的光源，一个可以发射单个电子的电子枪，以及一个高倍显微镜，观察电子需要多少步？

很简单，你会告诉我，第一，电子发射，第二光子发射，第三，光子撞击粒子，观察到电子。

但是海森堡告诉你，你永远无法准确地观察到电子的位置和动量。在宏观世界中，我们可以随意观察月球的位置和动量，因为光子的能量相对于月球来说实在是太小了。，小到可以忽略。

但不要忘记，我们正在观察电子，而光子突然变成了庞然大物。照射在电子上的能量会反冲并改变电子的速度。相反，如果光子的波长增加到不足以影响电子的程度，你会发现光的衍射使我们无法观察到电子的准确位置。

这是一个只能在微观世界中发生的死胡同。在量子力学中，任何测量都会参与到事物的演化过程中。看月亮是不是很重要，每次测量都要对应一定的基组。我们暂时不需要知道它是什么，只需要知道在测量过程中使用基组会直接导致粒子状态从不确定变为唯一确定。

举个直观的例子，你面前有一杯浓度很低的盐水或糖水。水的性质，你不能尝尝就知道，但你身边有两根筷子，夹杂着一定浓度的盐和糖。你知道，用筷子搅拌水。如果水的性质和筷子一样，水的味道会变得更浓，浓到不管是咸水还是糖水，你都能尝到。

但如果猜错了，比如用盐筷搅拌糖水，就只能尝尝咸水了。

你能做什么，答案是没有解决办法。

投影到量子力学，事情是这样的：

我们不知道这个粒子的“状态”是什么，但我们可以“掩盖”它。如果使用恰好包含粒子“状态”的基组，则测量过程不会改变粒子的状态。当测量匹配的基组时，状态会滑到这个基组，这有点像鸡与鸡结婚。

在量子力学中，这被称为“坍缩”，坍缩是不可避免的。

这反映了量子力学的一个本质特征，即固有的随机性。

现在剩下的最后一个谜团，纠缠，也是外界眼中最神秘的部分。在星际旅行中，纠缠被用于空间传送，但在现实世界中，人类这样的庞然大物能实现空间传送吗？

以人类的伙伴关系为例，有的夫妻是同一森林的鸟，灾难来临时会飞离，有的夫妻生在一起，分开时会死去。分离状态称为直积状态。

处于纠缠态的多个粒子也发生了同样的变化。爱因斯坦不愿意承认纠缠态，于是他和波多尔斯基·罗森进行了一个思想实验，被称为“EPR”实验。让两个粒子A与B处于|β00>状态，称为EPR对。

A 和 B 相距甚远，现在你观察 A，根据刚才学到的“不确定性”原理，我们知道 A 的状态已经发生了变化，如果根据量子力学，B 没有被观察到，也会随着A的变化，但爱因斯坦认为粒子之间存在“远距离幽灵作用”，信息传输速度超过光速，违反了相对论，因此纠缠态被证伪。

但在 1964 年，贝尔设计了“贝尔不等式”来验证 EPR 实验。

从 1980 年开始，Aspect 等一系列研究组的实验，以高度的置信度违反了贝尔不等式，量子力学被证实是正确的。现代量子力学给出的解释是它处于纠缠态。的两个粒子是一个物体，它们的变化不是通过信息传递来实现的，所以不违反相对论。

说到这里，叠加、测量、纠缠这三个奥义大家都清楚。漫长的铺垫是值得的。中国的无敌船墨子将在这里启航。

2016年8月16日，墨子号量子卫星在新疆南山发射成功。中国率先实现了数千公里之间的双向量子纠缠分发、高速星地量子密钥分发和星地量子隐形传态实验。三、科学目标推进并顺利实现。

新疆南山的群山和月亮，不明白这个实验是如何成功的，但对于我们这些懂得三重深意的人来说，我们可以理解，量子信息这个跨学科的学科量子计算机现在多少比特，一直都有一个巨大的命题。量子力学和信息科学：是否存在理论上牢不可破的密码系统。

量子力学给出了答案：非对称密码系统。

现在使用最广泛的密码学是基于因式分解的 RSA 对称密码系统，但在 1994 年，Shore 发明了一种量子算法，将原本呈指数增长的难度的因式分解降低到多项式水平，尽管在现实世界中，各种障碍技术，无法实现量子计算的最大潜力，但理论上，RSA密码学不再安全。

毫无疑问，未来的战争是信息战，信息的泄露会带来巨大的灾难。

为此，国家安全局设立了“穿透硬目标”项目，计划建造一台专门用于破解密码的量子计算机，以破解外国政府机密。这个绝密项目在斯诺登逃离美国后被爆。出去。

由此可见，密码学对于一个国家来说占有重要的战略地位。自然，我国也不会坐以待毙，试图用量子力学来开辟密码学的两条脉络供我使用。

对称密码学的缺点是需要信使传送密钥。在这个过程中，信使可能会背叛或被杀，钥匙将落入对手手中。量子密码学就是去掉信使作为中介，使传输和接收信息的双方共享密钥。

还记得三义吗？

现在让我们使用，假设小明想用量子密码学给小红发消息，他应该怎么做，现在，我们需要两个基组，数字 0 和 1，还有一个小明用来扔的硬币。 coin 方法生成一个随机数 0 或 1，用于确定粒子是在基组 A 还是 B 中测量。

选择基组后，小明抛硬币产生一个随机数，然后根据新的随机数选择基组中的状态。小明记录了这两个随机数，假设为01。双选后，他使用选中的随机数。基组和状态转移改变了粒子的状态，然后将粒子传递给小红。

小红重复小明的动作。假设他得到一个随机数00。双方重复两次。最后小明得到0110，小红得到0011，这个随机数有什么用呢？

如果选择了正确的基组，粒子的状态将保持不变。如果选择了错误的基组，粒子的状态就会改变。选择正确基组的概率是一半一半。当实验重复多次时，50% 的概率将是固定的。，小明和小红打电话检查随机数，他们可以去除不一致的数字，剩下的一致部分是关键。

量子密码学不仅将密钥泄露的概率降低到无限接近于0，而且还消除了被敌人窃听的可能性。如果窃听者截获粒子并对其进行观察，粒子的状态就会发生变化，处于新状态的粒子又会回到小红身边。在手中，小红和小明的随机数重合度会低于50%，这意味着如果窃听者移动粒子，小红可以及时止损。

另一方面，如果窃听者不观察粒子，他们将无法在避免暴露的同时获得密钥。这实现了绝对安全的信息传输。理想是完美的，但将理论应用于现实需要克服一半以上的障碍。.

潘建伟团队做到了这一点。潘建伟遇到的一个主要问题是如何最大化单光子源的安全传输距离。为此，该团队计划了两种解决方案：

第一种方案是使用传统的光纤进行传输，每隔一两百公里增加一个安全中继器；第二个想法是惊天动地的。潘建伟的团队居然在卫星上打出了这个主意。

众所周知，卫星与地面处于高速相对运动中。如果要将发射与接收器的探测器对齐，据袁兰峰博士介绍，这相当于将一枚硬币扔进50公里外全速行驶的高铁中。在矿泉水瓶中。

正是在这样的地狱级难度下，潘建伟团队于2012年在青海湖心的一个小岛上实现了百公里级的双向量子纠缠分布和量子隐形传态，验证了量子通信卫星的可行性。.

2016年8月16日，时隔4年，潘建伟团队在新疆南山发射了墨子量子卫星。恒星量子隐形传态等实验使我国成为世界上第一个实现一星三传实验的国家。

目标提前完成。按照预定计划量子计算机现在多少比特，到2025年，中国将建成世界上第一个以中国为主导的量子星座。15年后，中国的量子互联网或将取代以美国为首的光纤互联网。这是什么意思？我觉得不用多说。

在光纤中继站线路上，中国也遥遥领先，量子保密通信的“京沪干线”。

该项目于2013年7月立项，2017年9月29日开通。北京、济南、合肥、上海的内部量子网络通过数十个中继站相连，全长2000公里，成功实现了首次洲际量子通信.

不仅如此，量子通信还可以开辟金融业务。中国工商银行等机构已经开始试点。只能说，中国在量子通信上跑得太快了，美国感受到了深深的危机感。

2016年7月22日，《高级量子信息科学：国家挑战与机遇》发布。报告提到，未来5-10年，美国将开发可靠的光子源及相关技术，实现远距离量子信息传输。

2018年，美国颁布了《国家量子倡议法案》，宣称绝不容忍在量子技术领域落后，而美国不愿落后的主要焦点是巧妙避开量子通信，中国各有优势，选择中国的步伐。稍慢的量子计算轨道。

2019年10月23日，英国《自然》杂志发表论文。谷歌开发的量子计算机Plane超越了目前最先进的经典计算机。它可以在 200 秒内计算出一台经典计算机 10000 年的计算量。所以美国声称，这颗包含54个量子比特的量子芯片“行星树”实现了“量子霸权”，也就是所谓的“量子优势”。

这意味着量子计算机在某些领域可以做超出经典计算机能力的事情。

这意味着什么？

就像田径赛马一样，量子计算机在其优势领域可以超越经典计算机。即使量子计算机获胜，它们是可编程的还是通用的都没关系。按照目前量子计算机的发展，我们不能指望会赢。它玩游戏和看视频。

量子计算机通常是为特定问题而设计的。谷歌的平面树处理的问题是随机路由采样，但美国的 IBM 对平面树提出了质疑。IBM 表示，谷歌的算法只使用内存，但实际上只需将一部分数据放在硬盘上，经典计算机的计算时间就可以缩短到 2.5 天。

但不管怎么说，200秒对2.5天，量子计算机的优势依旧是压倒性的，平面树成为了世界上第一台实现量子优势的量子计算机。然而，这种压力，一年后，被中国的“祖冲之二号”刷新。

2021年5月7日，新华网报道一则消息：潘建伟团队成功研制出62位可编程超导量子计算机原型“祖冲之”，不仅实现了可编程二维量子行走，还可以处理复杂的计算。程度也比梧桐高一百万倍。

2021年10月26日，潘建伟团队再次传来喜讯。66位可编程超导量子计算机原型“祖冲之二号”解决“量子随机电路采样”任务的速度比最快的经典计算机快1000万倍。上述的完全可编程能力和并行高保真量子操纵能力也将应用于各个实际领域。

比如破码、大数据优化、药物分析、材料设计等。当世界被《祖冲之二》惊呆的时候，《九章》以前所未有的智慧来到了这个世界。

在物理系统的选择上，平面铃木和祖冲之系列在超导赛道上展开较量。

不过，九丈开辟了光学跑道。光子量子计算机“九丈”处理一个叫做高斯玻色采样的问题，即计算有多少光从光路的每个出口出去。

2020年12月，《九章》在潘建伟团队手中诞生。这是一台具有 76 个光子和 100 种模式的量子计算机。它处理高斯玻色采样的速度比超级计算机快 100 亿倍。这是一台经典的计算机。1亿年的计算。

2021年10月，当《祖冲之》迭代到第2期时，《九章》也迎来了二代。《九章二》光子数增加到113个，图案增加到144个。计算速度是全球性的。最快的超级计算机是24次方的10倍，也就是10亿倍，相当于梧桐树快100亿倍。

九章的问世，使我国成功成为量子计算的世界领先者，也对美国压倒我们的野心造成了打击。性别。

世界上只有中国做到了，欧洲、美国、日本都感受到了危机感。欧盟于2016年启动“量子宣言”计划，预计未来十年投资10亿欧元，支持量子、通信、模拟和传感。研究和推广。

日本文部科学省还成立了量子科技研发机构，投资400亿日元用于量子技术。

2020年，美国公布了建设量子互联网的蓝图，威胁美国将保持在量子信息领域的领先地位，以确保美国经济的长期繁荣和国家安全，世界将总是进步。

对手也在摩拳擦掌，跃跃欲试，但我们国家从来没有阻碍过别人的进步，而是会把别人的野心变成自强不息。

来吧，赶上，即使我们已经离开了尘埃！