“祖沖之號”是由中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉的團隊開發的二維可編程超導量子處理器。6月28日，潘建偉團隊在arXiv平台上發表論文稱，它可以在1.2小時內完成的採樣任務，最強大的超級計算機至少需要8年時間。
“我們使用隨機量子電路採樣作為衡量量子處理器整體能力的指標。”潘建偉團隊表示，實驗結果表明，該處理器能夠僅用56個量子比特、20個周期，就完成相關採樣任務。該實驗明確建立了一個計算任務，量子計算機可以在1.2小時內完成，但對於任何超級計算機來說，都需要一個（長到）不合理的時間(but will take at least an unreasonable time for any supercomputers)。
這意味着他們又一次實現了“量子計算優越性”。此前在2020年12月4日，潘建偉團隊構築了光量子計算模型“九章”，那是我國首次實現量子計算優越性。
“祖沖之號”計算速度為何如此之快？它可以運用在哪些方面？澎湃新聞檢索發現，作為量子計算機，“祖沖之號”計算速度之快與量子的相干疊加原理有關。未來可應用於人工智能、密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等領域。
潘建偉 澎湃新聞記者 朱偉輝 資料圖
什麼是量子計算機？
當前，量子計算機研製作為世界科技前沿的重大挑戰之一，已經成為歐美各發達國家競相角逐的焦點。
什麼是量子計算機？澎湃新聞（www.thepaper.cn）以“量子計算機”、“量子比特”等關鍵詞在中國知網查詢相關文獻獲悉，當某個物理裝置運算、存儲和處理的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。
量子計算機是國際研究熱點，世界各國的科學家們為之設計了多種技術實現路徑。現在進展最快的有 3 類量子計算機：光量子計算機、超冷原子量子計算機、超導量子計算機。我國科學家2017 年 5 月 3 日發布的量子計算機成果有兩個，分別屬於光量子計算機和超導量子計算機範疇。
量子計算機的計算速度為何遠高於傳統計算機？這和它的計算原理有關。據《經濟日報》此前報道，量子計算機利用量子的相干疊加原理，可以製備在兩個邏輯態0和1的相干疊加態，即1個量子比特（量子信息的計量單位）可以同時存儲0和1。
與之相比，電子計算機1個物理比特只能存儲1個邏輯態——或者0，或者1。這意味着量子計算機的處理能力將隨着比特數的增加而呈指數級上升。
前述報道進一步解釋，量子計算機有N個比特，就可以一次對2的N次方個數進行數學運算，相當於經典計算機算上2的N次方次。量子計算計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長，這可以為經典計算機無法解決的大規模計算難題提供有效解決方案。
模型示意圖：“祖沖之號”超導量子處理器
公開報道顯示，“祖沖之號”於今年5月研製成功。“祖沖之號”採用了超導量子計算，它是由66個功能量子比特組成的可調諧耦合結構，這比之前的原型機增加了4個量子比特。
超導量子計算，作為最有希望實現可拓展量子計算的候選者之一，其核心目標是如何同步地增加所集成的量子比特數目以及提升超導量子比特性能，從而能夠高精度相干操控更多的量子比特，實現對特定問題處理速度上的指數加速，並最終應用於實際問題中。
總而言之就是“快”。
量子計算到底有什麼用？
潘建偉曾在《更好推進我國量子科技發展》一文中指出，量子計算具有強大的并行計算和模擬能力，可為人工智能、密碼分析、氣象預報、資源勘探、藥物設計等所需的大規模計算難題提供解決方案。
量子計算機的計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長，一台操縱50個粒子的量子計算機，對特定問題的計算能力就可超過目前最快的超級計算機。量子計算機一旦研製成功，將對基於計算複雜度的經典信息安全體系帶來巨大衝擊；量子保密通信的安全性基於物理學原理，與計算複雜度無關，即使是量子計算機也無法破解。
二維超導量子比特芯片示意圖，每個橘色十字代表一個量子比特。 中國科學技術大學 圖
潘建偉稱，量子計算研究的核心任務是多量子比特的相干操縱。根據相干操縱量子比特的規模，量子計算有如下發展階段：
第一個階段是實現“量子優越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越傳統超級計算機，達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。美國Google公司已在2019年率先實現“量子優越性”。
第二個階段是實現專用量子模擬機，即相干操縱數百個量子比特，應用於組合優化、量子化學、機器學習等特定問題，指導材料設計、藥物開發等。達到該階段需要5至10年，是當前的主要研究任務。
第三個階段是實現可編程通用量子計算機，即相干操縱至少數百萬個量子比特，能在經典密碼破解、大數據搜索、人工智能等方面發揮巨大作用。由於量子比特不可避免地會受到環境噪聲的影響而出錯，對於規模化的量子比特系統，通過量子糾錯來保證整個系統的正確運行是必然要求，也是一段時期內面臨的主要挑戰。由於技術上的難度，何時實現通用量子計算機尚不明確，國際學術界一般認為還需要20年左右甚至更長時間。
目前，國際上正在對各種有望實現可擴展量子計算的物理體系開展系統性研究。我國已完成了所有重要量子計算體系的研究布局，成為包括歐盟、美國在內的三個具有完整布局的國家（地區）之一。
2017年，潘建偉在中國國際徽商大會、徽商論壇上演講提出，希望能夠通過10年左右的努力，一方面能夠為構建完整的量子通訊網絡準備技術基礎，同時在國防、政務、金融領域得到應用，讓網絡能夠實現無縫對接，建立國家信息安全的生態系統。在量子計算方面，包括我國的研究團隊在內，希望能夠通過10年左右的努力，實現一百個或者幾百個量子的相當操縱，就能夠達到目前最快、超級計算機的百億倍，能夠大規模地提高計算水平。