2019年，谷歌率先宣布实现“量子霸权”（“量子优越性”），将量子计算推入公众视野，激起量子计算领域的千层浪。2020年，中国团队宣布量子计算机“九章”问世，挑战谷歌“量子霸权”，实现算力全球领先。“九章”作为一台76个光子、100个模式的量子计算机，处理“高斯玻色取样”的速度比最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。史上第一次，一台利用光子构建的量子计算机的表现超越了运算速度最快的经典超级计算机。

同时，“九章”也等效地比谷歌于2019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。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子霸权”的国家，并将量子计算研究推至下一个里程碑。

 量子霸权是什么意思

“量子霸权”并不具有像其词义所表示的字面含义那样，它只是一个单纯的科学术语，是指量子计算机在某个问题上超越现有的最强的经典计算机，故而也称“量子优越性”。

2019年，谷歌宣布率先实现“量子霸权”。根据谷歌的论文，该团队将其量子计算机命名为“悬铃木”，处理的问题大致可以理解为“判断一个量子随机数发生器是否真的随机”。“悬铃木”包含53个量子比特的芯片，仅花200s就能对一个量子线路取样一百万次，而相同的运算量在大型超级计算机Summit上则需要1万年才能完成。200s之于一万年，如果这是双方的最佳表现，便意味着量子计算比超级计算具有压倒性的优势。因此，这项工作也被认为是人类历史上首次在实验环境中验证了量子优越性，被《自然》期刊认为在量子计算的历史上具有里程碑意义。

“量子霸权”最初由加州理工学院的约翰·普雷斯基尔（John Preskill）定义，即量子计算机的能力超过任何可用经典计算机的能力；通常被认为是建立在经典架构上的最先进的超级计算机。曾经，人们估计拥有50个或更多个量子比特的量子计算机就可以演示“量子霸权”。但一些科学家认为，这更多地取决于在相干性衰减之前，在1个量子比特系统中可以执行多少逻辑操作（门），而相干性衰减时，错误会激增，进一步的计算将变得不可能。

此外，量子比特如何连接也很重要。这使得IBM的研究人员在2017年制定了量子体积（QV）的概念。更大的量子体积意味着更强大的计算机，但不能仅通过增加量子比特数来增加量子体积。量子体积是一种与硬件无关的性能测量，基于门的量子计算机须考虑许多因素，包括量子比特的数量、量子比特的连通性、门保真度、串扰和电路编译效率等。

2020年末，IonQ公司宣布其第5代量子计算的量子体积为400万（IonQ提出的算法量子比特标准）。在此之前，霍尼韦尔的7个量子比特离子阱量子计算机拥有当时业界最高的公开量子体积——128位，第二高的是IBM的27个量子比特超导量子机器，量子体积为64位。2021年7月，霍尼韦尔声称通过更新版本的System Model H1，达到1024位的量子体积，是迄今为止实验测得的最高量子体积。

2020年，在谷歌宣布实现“量子霸权”的一年后，中国科学家团队研发出的“九章”在“悬铃木”的基础上更进一步。

“悬铃木”对量子优越性的实现依赖其样本数量。事实上，虽然根据2019年10月谷歌在《自然》期刊上刊登的报告，“悬铃木”完成“随机线路采样”任务用了约200s的时间进行了一百万次采样，但如果采集100亿个样本，超级计算机只需2天，可“悬铃木”却需要20天才能完成，量子计算反而丧失了优越性。

然而，“九章”所解决的高斯玻色取样问题，使其量子计算优越性不依赖于样本数量。同时，从等效速度来看，“九章”在同样的赛道上，比“悬铃木”还快了一百亿倍。根据目前最优的经典算法，“九章”花200s采集到的5000万个样本，如果用我国的“太湖之光”来采样，需要运行25亿年，如果用超级计算机“富岳”来采样，也需要6亿年。

此外，在态空间方面，“九章”也以输出量子态空间规模达到1030的优势，远远优于“悬铃木”。“九章”的出色表现，牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，更是量子计算领域的一个重大成就。