20世纪30年代，“图灵机”的概念被提出，奠定了日后计算机以及信息时代的基础。十年之后，世界上第一台通用计算机ENIAC诞生了。当时的人们，即便再乐观，也难以想象到，正是从这台重30余吨、占地约170平米、装有18000只电子管、看上去臃肿笨拙的庞然大物开始，人们将步入产业革命的新纪元——信息时代。
从20世纪六七十年代起，一些物理学家开始思考：将奇特的量子效应引入信息科学，将会带来什么改变？能否利用量子原理来进行计算？1981年5月是一个重要的时刻，在一场会议演讲中，理查德·费曼提出了两个富有洞察力的问题：经典计算机是否能够有效地模拟量子系统？舍弃经典的图灵机模型而利用具有奇特性质的量子材料，能否建造出能够模拟量子系统的计算机？这标志着量子计算的开始。
费曼的观点影响了以后量子计算的发展，随着研究的不断深入，人们越发意识到量子计算的重要意义。这是一种全新的计算模式，是对计算和信息本质的深入探究和发现。费曼的演讲至今，整整四十年过去了，随着技术与理论的进步，量子计算不断取得重要进展，从模糊的想法变成了看得见的现实。特别是近年来“量子计算优越性”（又称“量子霸权”）的实现，让量子计算成为了公众关注的焦点。
2019年10月，在持续重金投入量子计算多年以后，谷歌宣布实现了“量子优越性”。他们设计、构建了包含53个可用量子比特的可编程超导量子处理器，命名为“Sycamore（悬铃木）”。在随机线路采样（random circuit sampling）这一特定任务上，“悬铃木”展现出超过世界上最先进超算的计算能力。
一年之后，2020年12月，中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等人组成的研究团队设计、构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了高斯玻色采样（Gaussian boson sampling）任务的快速求解。这一成果使我国成为第二个实现“量子计算优越性”的国家。
10月25日，潘建伟团队的2篇论文同时发表在著名物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，被选为“Editors' Suggestion”（编辑推荐文章），并被“Viewpoint”（观点）栏目专门介绍。
在其中一篇论文中，研究人员研制出66比特的可编程超导量子计算原型机“祖冲之2.0”，通过操控其上的56个量子比特，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性，所完成任务的难度比2019年谷歌“悬铃木”高2到3个数量级。最新消息是，研究团队又有了新的进展，通过操控其上的60个量子比特，“祖冲之2.1”所完成任务的难度比“祖冲之2.0”又高出了3个数量级。
另一篇论文则介绍了光量子计算的最新进展。与一年前的“九章”相比，升级版“九章2.0”极大地提高了量子优势：对于高斯玻色采样问题，“九章”一分钟完成的任务，世界上最强大的超级计算机需要花费亿年时间，而“九章2.0”一分钟完成的任务，超级计算机花费的时间要再增加百亿倍！而且，“九章2.0”还具有了部分可编程的能力。
“Viewpoint”栏目的评论文章写道：两个实验性量子计算机解决了迄今最复杂的问题，这意味着是否能达到量子计算优越性（量子计算机在性能上优于最好的经典计算机）的争论就此结束。“九章”和“祖冲之”的出现，使我国成为在多个不同物理体系中均实现“量子计算优越性”的国家。
实际上，早在今年6月份，在经历严格的同行评议而正式发表之前，“祖冲之2.0”、“九章2.0”的研究论文就提前公开在预印本平台arXiv上了。很快，引起国内外学界、媒体以及普通民众的广泛关注和讨论。
例如，《科学美国人》（Scientific American）杂志在上述论文公开两周后，刊登了题目为“新研究表明，中国在全球量子竞赛中领先”（China Is Pulling Ahead in Global Quantum Race, New Studies Suggest）的文章。
文章开篇指出：2017年，当中国的科学家团队从‘墨子号’卫星发射纠缠光子，进行世界上第一次量子安全视频通话时，专家们认为中国已经在量子通信方面处于世界领先地位。而新研究表明，中国的领先地位已经扩展到量子计算领域。
因强大的能力、广泛的应用前景，量子科技被视为“决定未来的技术”，国际竞争异常激烈，各个主要国家以及科技公司巨头投入巨大。在“量子竞赛”中，中国为什么能够全面开花、后来居上？明确有力的统筹布局、积年累月的技术积淀、通畅有效的合作，是实现从无到有、由弱变强的重要支撑。
量子计算代表了一种全新的信息处理方法，它强大的计算能力将给人类社会带来颠覆性的改变。然而，量子态是脆弱而敏感的，极易受到周围环境噪声的影响，在实际的物理体系中去建造一台量子比特数足够多、操控保真度足够高的量子计算机，是一项严峻的挑战。
任何宏大目标的实现过程中，合理的阶段性目标的确定也至关重要。量子计算也是如此。
2012年，加州理工学院教授、物理学家John Preskill提出，在达成通用量子计算这一长远目标之前，应该再设立两个阶段性的里程碑，其中第一个里程碑就是量子计算优越性。量子计算优越性，顾名思义，指的是：如果一个特定的计算任务可以被量子计算机解决，但是不能在一个可接受的时间内被任何现存的经典计算机运用任何已知算法来完成，那么就说实现了量子优越性。
科学家们正基于多种物理体系和途径、利用不同体系的特性和优势来开展量子计算研究。被深入探究的物理体系主要有：超导量子比特体系、光学体系、超冷原子体系、离子阱体系、半导体量子点体系、腔QED体系，等等。
其中，超导量子计算作为一种固态量子计算方案具有可扩展性好，量子比特相干时间长、操作速度快，保真度高，加工工艺成熟等众多优点；而光学体系具有光子易于操纵、退相干很小、室温下运行以及可用于长距离通信等优点，因此它们都是量子信息领域备受关注的物理实现平台。
而目前阶段最可能用以演示“量子计算优越性”的问题包括随机量子线路采样、玻色采样、IQP线路等。
其中，随机线路采样任务一则非常适合在二维结构的超导量子计算芯片上完成，另外已有很多理论工作显示，这一问题的计算复杂度足够高，经典计算很难模拟，因此，无论Google团队还是中国科大团队，都选择了这一问题来考验自己的超导量子处理器的计算能力。类似的原因，玻色采样以及其“变体”高斯玻色采样任务，特别适合于光学体系，“九章”量子计算团队选择这一问题来实现量子计算优越性。
在光学量子信息处理方面，中国科大团队长期保持着世界领先地位。但玻色采样实验是一项极富挑战性的任务，对光子源、光学干涉仪、单光子探测器都提出了苛刻的要求，因此长期以来很多人对大规模的玻色采样实验持悲观态度。九章之所以能在玻色采样问题上实现量子优越性，绝非一日之功，而是源于中国科大团队长期的技术和理论积累。
2017年，首次演示了5光子、9模式玻色采样；2018年，首次实现7光子、16模式的有损失下玻色采样；2019年，首次完成20光子、60模式的玻色采样；2019年，在小规模下原理性实验验证了高斯玻色采样；2020年，成功构建了76光子、100模式的高斯玻色采样量子计算原型机“九章”，并首次实现了光学体系中的量子优越性。最近，“九章2.0”在计算规模和复杂度上都较“九章1.0”有了显著提升。
最终，“九章2.0”实现了113光子、144模式的部分可编程高斯玻色采样，将在高斯玻色采样问题上的量子优越性，从经典超算“太湖之光”的10^14倍大幅提高到10^24倍。同时，“九章2.0”输出状态空间的维数达到了10^43量级，这使得问题的复杂度大大提升，更加难以被新的经典算法所模拟。新技术可以对输入光源进行相位调控，使“九章2.0”具有了部分可编程的能力。
而在另一条技术路线上，中国科大团队很早就致力于超导量子计算的研究和攻关，在资金投入远远少于Google的情况，取得了一系列引人瞩目的前沿研究成果，并最终实现了从追赶到超越的转变。在超导量子体系中，要构建大规模的量子比特阵列，并实现对每一个量子比特极高精度的相干操纵，是一件极其困难的事情，离不开理论、实验、工程等层面的紧密合作，技术和理论上的长期积累至关重要。
例如，2019年初，研究团队在一维链结构超导量子芯片上实现了12个量子比特纠缠“簇态”的制备，保真度达到70％，创造了当时超导量子比特纠缠的新纪录；研究团队还开创性地将超导量子比特应用到量子行走的研究中，在2019年和2021年分别实现了一维和二维可编程量子行走，这为未来多体物理现象模拟、量子搜索算法等潜在应用以及利用量子行走进行通用量子计算的研究奠定了基础。
最近，研究团队又研制了66量子比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之2.0”，通过对其上56个量子比特进行精微调控，在随机线路采样任务上实现了量子计算优越性。这是目前公开发表的最大量子比特数的超导量子体系，高于此前“祖冲之1.0”的62量子比特和2019年Google“悬铃木”的53量子比特。
“祖冲之2.0”芯片上的所有组件都能正常工作，66个比特的平均T1寿命达到31微秒，高于“悬铃木”的16微秒。T1寿命是衡量量子比特退相干的一个重要指标，更长的T1寿命意味着可以对量子比特进行更多的相干操作，完成更复杂的计算任务。还有一个结果值得一提：在整个计算过程中，没有额外的关联错误出现。这是下一步进行量子纠错的前提，因此这也表明了“祖冲之2.0”处理器是完全兼容量子纠错的可拓展芯片架构。
凭借“九章”和“祖冲之”，中国科大团队在多个不同物理体系中均实现了“量子计算优越性”。另外，在超冷原子量子模拟与计算领域，中国科大团队也已经潜心深耕十余年，涌现出一批有影响力的工作。之所以要基于各种不同的物理体系开展量子计算研究，是因为各种体系自有其优势。对每一种量子计算实现路线的深入研究都有助于我们更好地看清未来的路。
量子科技的前沿探索是一项宏大的征程，需要理论、实验、工程、应用等层面的紧密融合，需要物理学家、数学家、计算机科学家、材料科学家等科学群体的共同努力。当第一台电子计算机ENIAC诞生之时，没人能想象到它将开启的信息时代的全新面貌。量子科技正处于“小荷才露尖尖角”的阶段，没人能完全预料出它究竟还会有哪些神奇的应用，又将如何改变未来。