“九章”问世，量子计算了解一波
华图教育 | 2020-12-07
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2020年年尾，中国又增加了一项量子计算的重大成果——量子计算机“九章”问世。这台量子计算机是由中国科学技术大学的潘建伟、陆朝阳等人构建，据媒体报道，它是一台76个光子100个模式的量子计算机，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。也就是说，超级计算机需要一亿年完成的任务，“九章”只需一分钟。同时，“九章”也等效地比谷歌去年发布的53个超导比特量子计算机原型机“悬铃木”快一百亿倍。今天我们就来更深入了解一下“九章”量子计算机。
量子计算机为何取名“九章”。九章有几种解释，首先会想到的是战国时期大诗人屈原的《九章》名篇。其次，“章”在古代也有图案的意思，比如帝王冕服上的九种图案，行军打仗时指挥军队行进的九种旗章。显然这些与量子计算机没有关系。“九章”在古代也有九畴的意思，传说是天帝赐给大禹治理天下的九类大法，也就是《洛书》。洛书，是一种关于天地空间变化脉络图案。它是以黑点与白点为基本要素，以一定方式构成若干不同组合，并整体上排列成矩阵的图式，以此矩阵建构出宇宙时空合一，万物生成演化运行模式。另外，古时候有一部影响深远的数学专著《九章算术》。这些应该就是以“九章”命名量子计算机的原因。
量子不是指特定的某种粒子，而是具有量子效应的分子、原子、电子、光子等微观粒子。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。量子这一概念最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出。量子效应包括能量的不连续、位置不确定、状态叠加、干涉、纠缠等。因为主要表现在微观物理世界，与牛顿经典力学描述世界完全不同，因此将研究微观物理世界的物理理论称为量子物理学。总结来说，量子物理学是研究微观粒子运动规律的学科，是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的结构和性质的基本理论。
量子计算机是用量子力学的叠加性原理制造的计算机。量子叠加指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。著名的“薛定谔的猫”理论描述的就是这种叠加态——“一只猫可以同时既是活的又是死的”。
具体来说，与普通计算机相比，普通计算机是将信息转化为0和1，每个比特(计算机中信息量最小单位)要么是0，要么是1，再将他们进行传输、运算与存储。而量子计算，则是利用量子天然具备的叠加性，0和1同时存在，就意味着很多个任务可以同时完成，因此具有超越计算机的运算能力。
据介绍，“九章”量子计算机利用的是光子的量子效应，其构成有两大部分，一是由量子光源、量子干涉、单光子探测器等组成的光路，二是接收装置。
“九章”的成果，就是实现了量子计算优越性，或者说实现了“量子霸权”。量子霸权是指量子计算机在某个问题上远远超过现有的计算机。据介绍，九章处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。在这一点上，“九章”量子计算机不愧是“一个最先进的实验”“一个重大成就”(《科学》杂志审稿人评价)。
【例1·单选】2020年12月4日媒体报道，中国科学技术大学的潘建伟、陆朝阳等人构建了一台76个光子100个模式的量子计算机，命名为( )
A. 天问
B. 九歌
C. 九问
D. 九章
【答案】D
【解析】本题考查时事热点。2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟等人成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒。故本题选择D。
【例2·多选】量子是指( )
A. 一种物理状态
B. 一种特殊粒子
C. 一种基本单位
D. 一种物理量
【答案】CD
【解析】本题考查物理学知识。现代物理理论中，一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。所以，量子是一种量子化的物理量，是这种物理量的基本单位。故本题选择CD。
【例3·单选】目前，量子计算利用的是哪种量子力学原理?( )
A. 量子叠加
B. 量子纠缠
C. 量子干涉
D. 以上都有
【答案】A
【解析】本题考查科技成就。量子计算是利用量子天然具备的叠加性，施展并行计算的能力。故本题选择A。
