这几天好消息不断，简直都要爆炸了，继嫦娥5号以后，#潘建伟团队量子计算原型机问世#，核聚变“人造太阳”取得重大突破，首次成功放电！
不过这些好像都是比较高深的科学，可能广大网民并不清楚其中的价值和意义，今天开始我就挨个给大家做一下白话文科普，这些无一不是里程碑式的重大科学事件背后都有些何种价值，以及对我国和人类将带来哪些巨变。
怀着激动的心情，本文先科普能把人类带入下一个文明纪元的量子计算机——九章。
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，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年——世界科学顶级期刊《科学》杂志公布了中国“九章”的重大突破。
北京时间12月4日凌晨，该工作在《科学》杂志在线发表，论文标题为 “用光子实现量子计算优越性”（Quantum computational advantage using photons）
这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家，量子优越性即“量子霸权”，指量子计算机超越了传统经典计算机的能力，就是实现了“量子霸权”。
但这里的第二个实现并非是代表第二，而是实现和公布的晚，算力早已跃居世界第一了。
各位准备好跟我一窥即将带来人类文明革命的量子计算机“九章”了吗？坐稳了，现在出发！
（PS：为让大家看懂量子计算机，本文有点长，辛苦各位了）
九章的问世是全人类之幸
还记得两三个月前，我国量子梦之队潘建伟团队在一次学术讨论会上说，将在年底实现60个光量子操控，继而实现“量子霸权”。
没想到最终等来却是76个！这远远超越了预期，量子计算机每多增加一个量子操控，其算力是呈指数级增长的（2ⁿ次方），从两个月前领先谷歌100万倍，到现在领先100亿倍，这种增长是非常惊人的，而这也是量子计算机独特的魅力所在。
传统经典计算机需要6亿年的计算，沧海桑田，猴子都进化成人了，但我国的“九章”只用了仅仅200秒就完成了。
这是中国的一小步，也是全人类的一大步。
《九章算术》是公元一世纪左右一本综合性的数学巨著，它的出现标志中国古代数学形成了完整的体系。
而我国量子计算原型机用“九章”命名，其实也是预示着这是一次革命性的进步。
前几次工业革命，都使人类文明获得了极大的跃升，但自从信息革命以后，一直停滞不前，而量子计算机的问世，极可能打破这种停滞，将人类带入“神级文明”。
我国量子计算机“九章”的原型机问世，马上引起了世界范围顶级科学家的关注，并向中国表示祝贺：
“我对量子计算的前景非常乐观，世界上有很多聪明人在做这件事，包括我的中国同事们。”奥地利科学院院长、美国科学院院士安东·塞林格预测，很有可能有朝一日量子计算机会被广泛推广，“每个人都可以使用”。
“这是一个巨大的技术突破”，德国马克斯·普朗克量子光学研究所理论部主任伊格纳西奥·西拉克表示，“远超其他高斯玻色采样实验。”
“我有点惊讶，因为这项实验非常困难”，德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学教授斯科特·亚伦森在邮件中告诉《知识分子》。
“这是一个划时代的成果，我认为这是一个了不起的成就。”麻省理工学院教授Dirk Englund说道：“我认为这是该领域的一个里程碑。”
……
“九章”原型机的问世，向世人展现了量子计算机惊人的算力，让未来的一切，变得皆有可能。
未来，一切皆有可能
量子计算机原理
可能很多人还是对量子计算机不太了解，不明白这项成就到底有什么意义，量子计算机到底可以做什么。
介于量子计算机的复杂性，可能太多的学术用语会让大家云里雾里，最后还是带着一肚子问号离开，所以本文就不再做学术描述了，换成白话文给大家说个简单明了。
量子计算机就是利用量子“叠加态”原理，一个量子比特单元同时存在两个状态，从而实现算力的恐怖提升。
意思就是说，传统的经典计算机一个比特只能是0或1中的任意一个，而我们的量子计算机一个比特单元可以既是0、又是1。
这在经典物理学范畴无法理解，你也不用理解，你就只用知道这世上真有那么一个“双性人”存在，他既是男人，又是女人，并且男和女这两种属性都集于他一身，他可以同时和一男一女两个人结婚，而普通人只能是男或者是女，只能找一个对象，这么比喻明白吗？
由于经典计算机一个比特只能是一个状态，所以要提升算力，必须无限制地提升比特的数量，算力的增长是做加法，每增加一个比特就增加一个算力，我们的CPU里面就集成了数十亿个微小的比特单元。
但量子计算机不同，由于量子的“叠加态”，一个比特单位可以同时是两个状态，所以算力的增长，不是加法，也不是乘法，而是以2ⁿ次方增长。
指数级增长的恐怖算力和存储能力
这么说您可能还是不理解什么是2ⁿ次方，还是拿现实生活举例：
大家听说过折纸游戏吗？某科学家曾说过，你永远也无法把一张纸对折7次，这个折纸就是2的7次方。这么说理解了吗？
经典计算机的7个比特等于把7张纸摞起来，有7张纸那么厚，要增加厚度必须无限制加纸，每加一张纸，只能增加一张纸的厚度。
而量子计算机的7个量子比特，就等于把纸对折了7次，是不是远远超越7张纸的厚度？如果是8次呢？增加的可不是一张纸的厚度，而是7次对折的2倍！
真有人试验把纸对折7次，可惜没成功
现在可以理解量子计算机的恐怖之处了？仅仅只增加一个量子比特，其计算能力就会比以往增加2倍。
所以科学家就定义了实现“量子优越性”的门槛：只需50个量子比特，其算力将超越人类目前最顶级的经典超级计算机。也叫作“量子霸权”。
经典计算机里CPU数十亿个晶体管，都比不过50个量子比特的算力和存储能力。只需250个量子比特，便可以存下这个宇宙全部原子数量。
厉害不？
而我国量子计算机5-10年之内的目标是突破一万个量子比特，至于这能干什么，我实在是想象不到了，已经远远超越了我的脑容量所能想象的极限。
当然了，仅仅是算力或存储，还不是量子计算机最绝的技能，更绝的绝招是并行运算。
量子计算机和经典计算机最大的不同，就是可以进行并行运算，当然了，我们的经典计算机也不是没有这个能力，比如现在8核CPU，就可以同时进行8个线程的并行计算，不过这点能力在我们的量子计算机面前完全不够看。
量子计算机并行运算的能力还是2ⁿ次方，有几个量子比特，就可以同时并行运算2ⁿ的线程，是不是远远超越我们的8核CPU？
如果拥有并行运算能力，可以同时走无数条迷宫，瞬间破解
并行运算有什么用
并行运算才是破解这个宇宙法则的关键法门，传统经典计算机只能同时做一个任务或者几个任务，但我们的宇宙可不是单线程的。
比如我们的大脑，数量惊人的神经元在里面并行工作，所以我们能在一秒之内既看见眼中的万物，又能听到世间百态，同时还能感受冷暖以及痛疼，经典计算机想要模拟大脑工作，几乎做不到。
而物理学、化学反应等自然界中的普通现象，也都是并行运算，一个简单的化学反应，其中数十亿个原子或粒子同时进行反应或运动，而不是一个接一个的来。
大家可能听过量子计算机最杰出的技能就是破解密码，如果听懂了上面的例子就很容易理解了，经典计算机只能一个密码一个密码地输入寻求答案，所以破解一个复杂的密码需要很长时间，而量子计算机可以同时并行2ⁿ个密码，同时输入寻求答案，理所当然破解密码就是一瞬间的事，所需的时间你几乎感觉不到。
所以并行运算，可以模拟我们的宇宙，但量子计算机甚至比我们的宇宙还强大。
事实上，我们的科学家也这么做了。
谷歌成功运用量子计算机“计算”出化学反应过程，得出的结果与现实世界一致；
物理学家也利用量子计算机完全模拟了制造成对粒子和反粒子的高能物理实验。他们认为，这标志着量子计算机在解决传统电子计算机无法解决的问题方面迈出了第一步。
如果未来量子计算成熟了，造出一个比人脑更厉害的量子大脑，是很轻松的事，人工智能远远强于人脑，而所需的量子比特数，不超过200个，200个量子占多大体积呢，微小到你用显微镜都看不见。是不是感觉我们的大脑在量子计算机面前就是个又傻又笨的“傻大个”？
如果用量子计算机的能力模拟一个人呢？很多人，大到一座城市，一个国家，甚至大到整个地球？如果模拟的对象是整个宇宙又会怎么样？
是否会解算出宇宙的过去和未来？
宇宙或可用量子计算机模拟
“九章”暂时封王，我国量子计算机和国外有何不同
通过上面的例子，大家应该能明白量子计算机的原理和恐怖前景了吧？
不过举例实在是太累了，篇幅有限，接下来就给感兴趣的进阶读者，能理解多少就理解多少吧，就算看不懂，你只要知道一点：我国量子计算机的研究暂时领先，就行了。
从《科学》杂志登出的信息看，我国的“九章”是目前量子计算机领域中的王者，远远超越其它对手，包括去年宣布实现“量子霸权”的谷歌，算力超越它100亿倍！
但这里要说的是，我国的量子计算机的技术路线和国外的并不一样，最终鹿死谁手，尚未可知。
国外以谷歌和IBM为代表的研发团队，采用的是“超导”量子计算机，我国中科院采用的是“光量子”计算。
超导量子计算机的优势是短期内见效快，而且离商业化比较近，所以在去年9月，谷歌以53个量子比特数宣布率先实现量子霸权，成功封王。但缺点是必须要接近绝对零度的环境下，才能实现“超导”，而且后续增加可操控的量子比特很难。
而我国以“光量子”为代表的量子计算，可以在室温下运行，如果容忍一定数目光子损失的玻色采样可以带来采样率的有效提升。这对于后期增加光量子操控数是非常有利的，所以我国在今年成功反超，而且一超就是100亿倍。
“九章”量子计算原型机光路系统原理图 | 图源：中国科学技术大学
但我国的路线也有缺点，缺点就是必须要容忍一定数目的光子损失，带来的好处就是量子操控数量的巨大提升。
当时发表该研究结果的《物理评论快报》审稿人认为，我国光量子这项研究突破是“一个巨大的飞跃”，“是通往实现‘量子霸权’的‘弹簧跳板’”。
“打个比方，就是谷歌的机器短跑可以跑赢超算，长跑跑不赢；我们的机器短跑和长跑都能跑赢。”——潘建伟团队说。
这个巨大飞跃有多大呢？我国从48个光量子操控，到今天的76个，仅仅用了几个月！
反观谷歌的“超导”路线，他们每增加一个量子比特，都要付出巨大的代价和努力。
已有数据显示，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。该成果牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现可解决具有重大实用价值问题的规模化量子*拟机模**奠定了技术基础。
但基于两种技术路线的算力的竞争，依然在继续。
量子计算离实用还有多远
量子计算由演示转向实际应用，仍需科学家长时间的努力。
际主流观点认为，量子计算机的发展将有三个阶段：
第一阶段，研制50个到100个量子比特的专用量子计算机，实现“量子优越性”里程碑式突破。
第二阶段，研制可操纵数百个量子比特的量子*拟机模**，解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题，比如量子化学、新材料设计、优化算法等。
第三阶段，大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力，研制可编程的通用量子计算原型机。
目前，“九章”还处在第一阶段，但在图灵、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值。
我国中科院团队预测，在未来10-15年内，具备通用性的量子计算机会面世。
看到这里，我也很感慨能活在当下，再活15年可能不是问题，可以见证这个改变人类文明的重大历史时刻。
谷歌量子计算机
所有的领先都是暂时的
虽然我国目前远远领先对手百亿倍，但以量子计算机的能力，只需多操控几个量子就可以实现反超。
“超导”和“光量子”之争还在继续，这两种方案都各有利弊，虽然我们暂时领先了，但这并不是终点。
虚怀若谷、低头奋进，在量子计算机成功达到通用性能之前，一切的成绩都只是暂时的。而这两种路线，或最终将证明只有一条路走得通，现在领先多少，都只是昙花一现。
好消息是，我国在10月16日强调：深刻认识推进量子科技发展重大意义，加强量子科技发展战略谋划和系统布局。
感谢中国，感谢“九章”，感谢我们的科学家！
如果大家通过我的文章看懂了量子计算机，欢迎大家关注一下，接下来再为大家继续科普我国“人造太阳”成功放电的重要意义，谢谢。