12月4日，中國科學技術大學宣佈，潘建偉團隊與中科院上海微系統所、國家平行計算機工程技術研究中心合作的量子計算原型機成功構建，因而成功達成了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優越性。

秉著科學的態度，小黑還是要先提一句：關於量子計算原型機構建成功的訊息，許多新聞中都引用了“量子霸權”這個詞。但小黑覺得，這個詞的使用並不妥當，容易引起人們的誤解。

其實，“量子霸權”這個詞只是國外說法的直譯，這裡說的霸權，表達的僅僅是量子計算在計算能力上對傳統的超級計算機有著“霸權般”的統治力，因此，使用“量子計算優越性”這個詞會更加妥當一些。

什麼是量子計算，它與傳統計算機有何不同？

要解釋量子計算，小黑不得不提到那隻被頻頻用來解釋量子力學的貓，“薛定諤的貓”了。

很多人會將薛定諤的貓理解為“盒子裡的貓是死是活，只有在觀察之後才能確定”。很遺憾，這種理解是錯的。

薛定諤所提出的這隻貓其實只是一個實驗構想，這個實驗構想原本是用來反駁哥本哈根詮釋中所提出的“未被觀測時，微觀物質以波的疊加混沌態存在，一旦被觀測後，它們會立刻坍縮成明確態”這一理論。當然，小黑的這種解釋也並不完美，但關於量子力學，從來沒有人可以一句話解釋得清清楚楚，專業人士就不用怪罪小黑了。

▲ 薛定諤的貓是一個經典的實驗構想

薛定諤本人對“貓可以同時處於生和死的疊加態”這一點完全無法理解，但有些奇妙的是，薛定諤的貓到現在反而常常作為量子力學的入門故事被提及。

當然，小黑更感興趣的其實還是：處於狀態疊加、互相糾纏的兩個量子系統，是如何打造成計算如飛的量子計算機的？

如果要用不太確切的簡單說法來說明量子計算的原理，我們可以認為，它是基於量子位元（位元即Bit，是資訊量的最小單位）可以同時儲存二進位制數多種可能性的疊加狀態而實現的。

打個比方來說，一個擁有100個量子位元的儲存器，理論上可以儲存的數字達到了2的100次方。而同樣擁有100個物理位元的傳統儲存器（類似我們現在常用的儲存裝置），則只能儲存100個數字。

由於我們的數學計算方法可以同時對儲存器中的所有資料進行計算，因此一臺擁有100個量子位元儲存器的量子計算機計算一次的效果，理論上可以相當於2的100次方臺傳統計算機運算一次的效果。從理論資料對比來看，量子計算機確實擁有對傳統計算機在運算速度上的“霸權”。

“九章”是如何構建的？它的運算能力如何？

2019年，由谷歌開發的懸鈴木（Sycamore）釋出，它的計算能力震撼了許多人。懸鈴木可以在3分鐘左右完成基礎的氮氫反應模擬，而傳統的超級計算機則需要花費一萬年才能完成這一計算。

▲ 谷歌釋出的量子計算原型機

時隔一年，“九章”的釋出再次證明了量子計算優越性，並且也獲得了對懸鈴木的優勢。懸鈴木的量子電路基於超冷、超導金屬，需要在接近絕對零度的環境下進行，因此，它的意義更大程度上在於真正樹立“量子霸權”。

而九章在室溫下就可以進行大部分的實驗過程，最後構建出了有76個光子、100個模式的量子計算原型機。根據目前最優的經典演算法，九章在進行量子物理中的“高斯玻色取樣”問題時的速度，比目前世界排名第一的超級計算機“富嶽”快一百萬億倍，也比谷歌的“懸鈴木”要快上了一百億倍。

▲ “九章”光路系統原理圖

由於量子計算的精度需求，潘建偉團隊克服了多個難關。

根據他的介紹，為了實現九章的構建，光子源要保證每次只放出1個光子，且每個光子一模一樣。同時，鎖相精度要在10的負9次方以內，相當於100公里距離的傳輸誤差不能超過一根頭髮直徑。

▲ 光量子干涉實物圖

不過，在這一原型機構建成功的情況下，我們還是必須看到，目前的量子計算原型機存在著無法成規模的增大、計算機構建只能針對單項計算等，而這也正是未來量子計算需要克服的兩大難題：前者限制了計算能力發展，而後者則限制了在實用性上的推廣。

▲ 光量子干涉示意圖

不過，量子計算機的未來，還真讓小黑期待著呢。

量子計算領域，小黑也已經關注了很長時間了，從最開始IBM展示的IBM Q System One到如今的九章，量子計算的步伐雖然跨得不大，但至少正在發展的過程中。

量子計算機是否真的能替代傳統計算機，小黑並不清楚，小黑的小夥伴Z君也始終把它稱作是“噱頭”，但至少它為計算機發展的未來找到了新的方向。對世界的不斷探索，不正是最浪漫的事情之一麼。