中國科學家成功構(gòu)建量子計算原型機“九章”

從中國科學技術(shù)大學獲悉，中國科學技術(shù)大學潘建偉、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。等效地，其速度比2019年谷歌發(fā)布的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

這一成果使得我國成功達到了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)”）。相關(guān)論文于2020年12月4日在線發(fā)表在國際學術(shù)期刊《科學》。

量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力。目前，量子計算原型機有望通過特定算法，在計算能力上實現(xiàn)相比于經(jīng)典計算機的指數(shù)級提升，從而為解決一些具有重大社會和經(jīng)濟價值的問題，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計、藥物分析等提供可能。

當前，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，也是歐美發(fā)達國家競相角逐的焦點。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，團隊進一步研制了國際最高性能單光子光源，輸出了復雜度相當于48個量子比特的希爾伯特態(tài)空間，已逼近“量子計算優(yōu)越性”。

近年來，潘建偉團隊聯(lián)合中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心，通過自主研制的同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)于98%的100模式干涉線路，相對光程10的-9次方以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導納米線單光子探測器，成功構(gòu)建了76個光子100模式的高斯玻色取樣量子計算原型機“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到10的30次方——取名“九章”是為了紀念中國古代最早的數(shù)學專著《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日本“富岳”快一百萬億倍，即“九章”一分鐘完成的任務(wù)，“富岳”需要算一億年。而且，“九章”還克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子計算優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

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)模化量子模擬機奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。《科學》雜志審稿人評價該工作是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。未來，這項工作預計還將有提升空間，并能激發(fā)更多經(jīng)典算法模擬方面的工作。