申鹏：“人造太阳”和“量子霸权”

　　最近总是感觉有点不真实。

　　首先是嫦娥五号在月球上竖起了五星红旗，还载着两千克月球土壤准备返回家乡。

　　然后是中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心合作，构建了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。九章的计算速度，比去年谷歌发布的量子计算机“悬铃木”快一百亿倍。

　　接下来又是新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电，标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术。

　　嫦娥号的故事倒不是那么惊奇，但量子计算和人造太阳，却是真正让我们有望争雄未来的事业。一个相当于无穷的能源，一个相当于无穷的算力。

　　先说“人造太阳”，中国环流器二号M装置是我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，是我国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置，采用更先进的结构与控制方式，等离子体体积达到国内现有装置2倍以上，等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可达到1.5亿度，能实现高密度、高比压、高自举电流运行，是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置。

　　这个东西，最终追求的是“可控核聚变”，目前我国的托卡马克磁约束技术领先世界，但离真正的输出能量大于输入能量还有相当的距离，但是我们也是全世界唯一在向着这个方向稳步推进的国家了。

　　在HL-2M这样大的装置里对持续10秒级别的超高温等离子体的磁现象、流体不稳定性、约束湍流等进行研究，具有重大意义。我们可以畅想一下，未来如果我们拥有近乎无限的清洁能源，这个世界将会有多么波澜壮阔的改变?

　　关于“九章”量子计算机，我要说点“阴阳怪气”的话：

　　众所周知，中国这个量子计算机才76个量子比特，也就比谷歌家的强一百亿倍，还晚了一年，说难听的，够干点啥呀?

　　众所周知，只要是中国掌握了的技术，马上就会变成不值钱的“落后技术”。比如超算、大火箭、电磁炮、高温超导、特高压输电、5G、高铁、新能源……

　　“九章”问世，量子计算机瞬间退出“高科技”行列。

　　从此以后，量子计算就是“夕阳行业”。

　　世界上“先进技术”越来越少了，都怪中国人。

　　量子计算机的原理其实并不是那么科幻，传统计算机利用的就是电路原理，断开还是连接，表示一个0或1的逻辑关系，通过半导体晶体管组成各种“与或非门”，传统计算机想要计算力强大，就要堆积晶体管，在更小的尺寸上堆积更多的晶体管，但是如果尺寸太小，密度太大，就会遇到“量子隧穿效应”，电子无视逻辑关系而穿过开关……这个逻辑门也就失效了。

　　量子计算机是利用量子比特来组成逻辑关系，比如说，光量子可以在水平或垂直方向上被“极化”，这就是“0”和“1”。在量子世界中，量子比特存在“多状态叠加”，“0”和“1”同时存在，当你用光子探测器去探测它时，它又会坍缩为其中之一，跌落到“0”或者“1”的一种确定状态。

　　这就牛逼了你知道吗?

　　对于2比特来说，在某一时刻，它只能表示00、10、01、11这四种可能性的一种可能;而量子计算由于叠加性，就可以写成。

　　传统4比特的编码有16种可能组合，但只能选择一种，而量子比特的16种组合是同时存在的，1台n位的量子计算机等于 2的n次方台n位的传统计算机并行计算。因为量子的叠加性，随着比特数增加，信息的存储量和运行速度会成指数增加。

　　说得科幻点，如果根据“多世界理论”，就好比量子计算机是靠无限个平行世界联网的计算机一起计算……

　　虽然说这个九章量子计算机暂时还不能编程，也只能做一定的特殊的计算，比如暴力破解密钥之类，但是我们也要看到，它依旧是了不起的突破。

　　根据现有理论，“九章”量子计算系统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(“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要大约一亿年)。等效地，其速度比去年谷歌发布的53个超导比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍。这一成果使得我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性(国外也称之为“量子霸权”)，相关论文于12月4日以“First Release”形式在线发表于国际学术期刊Science。

　　诸位，是不是明显感觉到世界在改变?