光量子干涉物理圖

近日，由中國科學技術大學潘建偉、盧朝陽等學者組成的研究團隊與上海微系統研究所、中國科學院、信息技術研究所、國家并行計算機工程技術中心合作，構建了一個76光子的量子計算原型。計算玻色采樣問題，《九章》中處理5000萬個樣本只需要200秒，而世界上最快的超級計算機需要6億年。新八大場站

這是中國首次實現“量子計算優勢”，這一突破使中國成為世界上第二個實現“量子優勢”的國家。12月4日，《科學》雜志公布了結果。

設備自主研發和技術創新存在諸多困難

《九章》不僅是中國古代的數學專著《九章算術》，也是一部牢固確立中國作為國際量子計算研究第一方陣地位的量子計算原型。兩者都具有里程碑意義。

“量子計算的優越性”是指量子計算機是一個新事物。一旦某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明了量子計算機的優越性，也跨越了未來在很多方面超越傳統計算機的門檻。

"這將使實驗各方面的技術進步遠遠超過以前的水平。"澳大利亞昆士蘭大學教授蒂姆洛夫(Tim Love)說：“這種裝置的規模非同尋常：100個模式干涉儀，25個壓縮器提供輸入量子態，100個單光子探測器用于探測，同時實現高效率、穩定性和量子不可分辨性。這些都是證明量子計算優越性所必須的。”

從20光子輸入60模干涉線的玻色采樣到76光子100模的高斯玻色采樣，必須在設備上下功夫。“一開始，高效100通道超導納米線單光子探測器的性能很低，只有4%。通過與中國科學院上海微系統與信息技術研究所的合作，我們進行了自主研發和創新，目前其性能已提高到98%。”盧朝陽表示，加強量子光源、量子干涉、單光子探測器等領域的自主創新是下一步研究的重點。

“利用量子器件解決日益復雜的問題，體現量子優勢，是量子科學前沿最重要的問題之一。”美國科學院院士、沃爾夫獎獲得者、狄拉克獎章獲得者彼得佐勒認為，潘建偉團隊的研究，無論從量子系統的規模和可擴展性，還是從實際應用的前景來看，都將研究水平提升到了一個新的高度。新八大場站

在不增加能耗的情況下，提高計算能力具有重要意義

“在大數據時代，全球數據量呈指數級增長，每兩年翻一番。如果不提取海量數據，那就沒有意義。”潘建偉說。目前計算機的傳統發展模式是有限的，超級計算機消耗巨大的能量。在潘建偉看來，《九章》的意義是在不增加能耗的情況下提高計算能力。

目前，量子計算機的發展已經成為世界科技前沿最大的挑戰之一和全球競爭的焦點。去年，谷歌推出了一臺擁有53個超導量子位的計算機“懸鈴木”，它在計算一個數學算法上的效率遠遠超過當時世界上最快的超級計算機，并率先實現了“量子優勢”。“九章”實現了“高斯玻色采樣”任務的快速求解。

處理5000萬樣本的高斯玻色采樣問題，“九章”只需要200秒，而世界上最快的超級計算機需要6億年；處理100億個樣本需要10個小時，超級計算機需要1200億年。正如陸朝陽所說：“《九章》在一分鐘內完成了經典超級計算機在一億年內可以完成的任務。”

對于量子計算機的研究，國際同行已經認識到有三個指標發展階段：第一階段是發展50到100個量子比特的高精度專用量子計算機，實現量子計算在計算科學上優越性的里程碑；第二階段是開發一個量子模擬器，可以相干操縱數百個量子位，解決一些超級計算機無能的具有很大實用價值的問題；第三階段是將可集成量子比特數大幅增加到百萬，實現容錯量子邏輯門，開發可編程通用量子計算原型。

陸朝陽認為，《九章》相對于《懸鈴木》有三大優勢：運行速度更快、環境適應性更強、克服技術漏洞。《懸鈴木》只在小樣本情況下比超算快，《九章》在小樣本和大樣本情況下都超過超算。“像賽跑一樣，谷歌的機器沖刺能跑贏超算，長跑不贏；我們的機器短跑和長跑都能贏。”

在機器學習、量子化學等領域有著廣闊的前景和潛在的應用

在合肥，量子計算原型“九章”占據了實驗室幾乎一半的空間，包含了數千個組件。目前《九章》和《懸鈴木》一樣，只能用來解決一個具體問題。潘建偉認為，這是因為可以用來建造量子計算機的材料有限，世界正在幾個方向上努力。“量子計算機未來的突破更有可能依賴于量子計算硬件中的新材料。創新。”新八大場站

如今，基于“九章”的高斯玻色采樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域有著潛在的應用，將是未來發展的重要方向。潘建偉的團隊表示，《九章》雖然計算能力驚人，但只是量子計算第一階段的一個里程碑。“我希望通過15到20年的努力，開發出一臺通用量子計算機，來解決密碼分析、氣象預報、藥物設計等應用非常廣泛的問題。”潘建偉表示。

　　《科學》雜志審稿人評價，這是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。“量子優越性”實驗并非一蹴而就的工作，而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭。但最終，量子并行性會產生經典計算機無法企及的算力。潘建偉團隊希望，這個工作能夠激發更多的經典算法模擬方面的工作。