再刷世界紀(jì)錄！“九章三號”光量子計(jì)算原型機(jī)研制成功

來源：央視網(wǎng)| 發(fā)布日期：2023-10-12 09:38

10月11日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，宣布成功構(gòu)建255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”。

這項(xiàng)成果再度刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄，求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級計(jì)算機(jī)快一億億倍，在研制量子計(jì)算機(jī)之路上邁出重要一步。

中國光量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展

量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代的一種新的計(jì)算范式，它在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定量子算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級別的加速。因而，研制量子計(jì)算機(jī)是當(dāng)前世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一。

為此，國際學(xué)術(shù)界制定了三步走的發(fā)展路線。其中，第一步是實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”，即通過對近百個(gè)量子比特的高精度量子調(diào)控，對特定問題的求解展現(xiàn)超級計(jì)算機(jī)無法比擬的算力。同時(shí)，在此過程中，發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù)，為具備容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

基于光子的玻色取樣和基于超導(dǎo)比特的隨機(jī)線路取樣是實(shí)驗(yàn)展示量子計(jì)算優(yōu)越性的兩個(gè)重要方案。潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。

2017年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)（ENIAC）的光量子計(jì)算原型機(jī)。2019年，該團(tuán)隊(duì)實(shí)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(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了量子計(jì)算優(yōu)越性。

此后，研究團(tuán)隊(duì)通過自主研制同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源，同時(shí)滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)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的負(fù)9次方以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測器。

2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”。這一突破使我國成為全球第二個(gè)（第一個(gè)為谷歌的Sycamore）實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”（國外稱“量子霸權(quán)”）的國家。

2023年6月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布消息稱，由潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)，基于“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)完成了對“稠密子圖”和“Max-Haf”兩類圖論問題的求解，比全球最快的超級計(jì)算機(jī)使用當(dāng)前最優(yōu)經(jīng)典算法，精確模擬同一實(shí)驗(yàn)的速度快了約1.8億倍。

九章開發(fā)團(tuán)隊(duì)聲稱當(dāng)求解5000萬個(gè)樣本的高斯玻色取樣時(shí)，“九章”需200秒，而截至2020年世界最快的超級計(jì)算機(jī)“富岳”需6億年；當(dāng)求解100億個(gè)樣本時(shí)，九章需10小時(shí)，而富岳需1200億年。等效來看，“九章”的計(jì)算速度比谷歌的超導(dǎo)量子比特計(jì)算機(jī)“懸鈴木”快100億倍，并彌補(bǔ)了“懸鈴木”依賴樣本數(shù)量的技術(shù)漏洞。

2021年10月26日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，發(fā)展了量子光源受激放大的理論和實(shí)驗(yàn)方法，構(gòu)建了113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號”，并實(shí)現(xiàn)了相位可編程功能，完成了對用于演示“量子計(jì)算優(yōu)越性”的高斯玻色取樣任務(wù)的快速求解。

根據(jù)現(xiàn)已正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典算法理論，“九章二號”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計(jì)算機(jī)快10的24次方倍（億億億倍）。

如今，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)又成功構(gòu)建了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號”。據(jù)介紹，科研人員設(shè)計(jì)時(shí)空解復(fù)用的光子探測新方法，構(gòu)建高保真度的準(zhǔn)光子數(shù)可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計(jì)算復(fù)雜度。根據(jù)公開正式發(fā)表的最優(yōu)經(jīng)典精確采樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍。“九章三號”在百萬分之一秒時(shí)間內(nèi)所處理的最高復(fù)雜度的樣本，需要當(dāng)前最強(qiáng)的超級計(jì)算機(jī)“前沿”花費(fèi)超過二百億年的時(shí)間。這一成果進(jìn)一步鞏固了我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

量子計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

量子計(jì)算（quantum computation）的概念最早由阿崗國家實(shí)驗(yàn)室的P. Benioff于80年代初期提出，他提出二能階的量子系統(tǒng)可以用來仿真數(shù)字計(jì)算；稍后費(fèi)曼也對這個(gè)問題產(chǎn)生興趣而著手研究，并在1981年于麻省理工學(xué)院舉行的First Conference on Physics of Computation演講中，勾勒出以量子現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)計(jì)算的愿景。

1985年，牛津大學(xué)的D. Deutsch提出量子圖靈機(jī)（quantum Turing machine）的概念，量子計(jì)算才開始具備了數(shù)學(xué)的基本型式。然而上述的量子計(jì)算研究多半局限于探討計(jì)算的物理本質(zhì)，還停留在相當(dāng)抽象的層次，尚未進(jìn)一步跨入發(fā)展算法的階段。

1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用數(shù)學(xué)家P. Shor指出，相對于傳統(tǒng)電子計(jì)算器，利用量子計(jì)算可以在更短的時(shí)間內(nèi)將一個(gè)很大的整數(shù)分解成質(zhì)因子的乘積。這個(gè)結(jié)論開啟量子計(jì)算的一個(gè)新階段：有別于傳統(tǒng)計(jì)算法則的量子算法（quantum algorithm）確實(shí)有其實(shí)用性。

自此之后，新的量子算法陸續(xù)的被提出來，而物理學(xué)家接下來所面臨的重要的課題之一，就是如何去建造一部真正的量子計(jì)算器，來執(zhí)行這些量子算法。

許多量子系統(tǒng)都曾被點(diǎn)名做為量子計(jì)算器的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如光子的偏振（photon polarization）、腔量子電動(dòng)力學(xué)(cavity quantum electrodynamics,CQED）、離子阱（ion trap）以及核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）等等。截止到2017年，考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和操控精度等因素，離子阱與超導(dǎo)系統(tǒng)走在了其它物理系統(tǒng)的前面。

2019年8月，中國量子計(jì)算研究獲重要進(jìn)展，中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉與陸朝陽、霍永恒等人領(lǐng)銜，和多位國內(nèi)及德國、丹麥學(xué)者合作，在國際上首次提出一種新型理論方案，在窄帶和寬帶兩種微腔上成功實(shí)現(xiàn)了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學(xué)量子計(jì)算機(jī)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。

2021年10月，中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院科研團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子和光量子兩種系統(tǒng)的量子計(jì)算方面取得重要進(jìn)展，中國科大團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步成功研制了113光子的可相位編程的“九章二號”和56比特的“祖沖之二號”量子計(jì)算原型機(jī)，使我國成為唯一在光學(xué)和超導(dǎo)兩種技術(shù)路線都達(dá)到了“量子計(jì)算優(yōu)越性”的國家。

如今，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作成功構(gòu)建的255個(gè)光子的“九章三號”量子計(jì)算原型機(jī)，無疑讓全球量子計(jì)算領(lǐng)域又向前邁進(jìn)一大步。

小結(jié)

量子計(jì)算是指一種新型計(jì)算模式，從計(jì)算效率來看，由于量子力學(xué)疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時(shí)速度要比傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)快很多。在光量子計(jì)算領(lǐng)域，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)先后構(gòu)建了光量子原型機(jī)“九章”、“九章二號”、“九章三號”，不斷刷新光量子信息技術(shù)世界紀(jì)錄，鞏固我國在光量子計(jì)算領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

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