我國實現(xiàn)“量子霸權(quán)”里程碑：自主研制量子計算機 “九章”問世

12月4日消息（余予）我國成功達到量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優(yōu)越性（國外也稱之為“量子霸權(quán)”）。

來自中國科大的消息顯示，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍，其速度比去年谷歌發(fā)布的53個超導(dǎo)比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

圖片1：“九章”量子計算原型機光路系統(tǒng)原理圖：左上方激光系統(tǒng)產(chǎn)生高峰值功率飛秒脈沖； 左方25個光源通過參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生50路單模壓縮態(tài)輸入到右方100模式光量子干涉網(wǎng)絡(luò); 最后利用100個高效率超導(dǎo)單光子探測器對干涉儀輸出光量子態(tài)進行探測。(制圖：陸朝陽，彭禮超)

這一重磅成果于今日凌晨在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)布，審稿人評價該工作是“一個最先進的實驗”，“一個重大成就”。

據(jù)了解，量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題方面相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速，例如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計、藥物分析等方面。

當(dāng)前，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，成為歐美各發(fā)達國家角逐的焦點。

潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平：2017年，該團隊構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機；2019年，團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

圖片2：光量子干涉實物圖：左下方為輸入光學(xué)部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學(xué)模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導(dǎo)單光子探測器連接。(攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓)

近期，該團隊成功構(gòu)建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”（命名為“九章”是為了紀念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》）。

根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對于處理高斯玻色取樣的速度，比目前世界排名第一的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。同時，“九章”還克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

據(jù)了解，“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016，目前全世界的存儲容量是1022）。

該成果牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)?；孔幽M機奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于“九章號”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。

除此之外，上述項目受到了中國科學(xué)院、安徽省、科技部、上海市和基金委的支持。

對此成果，研究人員希望這能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計將來會有提升的空間。畢竟量子優(yōu)越性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。相信這一幕的出現(xiàn)不會太遠。

附：量子計算機研究的三個指標性發(fā)展階段

1.發(fā)展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機，對于一些超級計算機無法解決的高復(fù)雜度特定問題實現(xiàn)高效求解，實現(xiàn)計算科學(xué)中“量子計算優(yōu)越性”的里程碑。

2.通過對規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，用于解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題（如量子化學(xué)、新材料設(shè)計、優(yōu)化算法等）。

3.通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值（>99.9%），大幅度提高可集成的量子比特數(shù)目（百萬量級），實現(xiàn)容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。

注：文中圖片均來源于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)新聞網(wǎng)。

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