全球領(lǐng)先！中國量子計算原型機九章問(wèn)世

這一突破使我國成為全球第二個(gè)實(shí)現“量子優(yōu)越性”的國家。

12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，構建了76個(gè)光子的量子計算原型機“九章”。

“九章”的命名，旨在紀念中國古代最早的數學(xué)專(zhuān)著(zhù)《九章算術(shù)》。

實(shí)現我國首次量子計算優(yōu)越性，碾壓谷歌“量子霸權”

量子優(yōu)越性，即谷歌此宣稱(chēng)的“量子霸權”，是近年量子計算中備受關(guān)注的一個(gè)方向，“九章”的成功，使得我國成功達到了量子計算研究的第一個(gè)里程碑！

量子計算是指利用量子相干疊加原理，能夠解決超出傳統計算機的一些問(wèn)題，具有超快的并行計算和模擬能力的計算機。

而光量子計算機包含3個(gè)主要部分：

第一部分是單光子源，在零下269攝氏度的低溫中，這個(gè)設備通過(guò)激光激發(fā)量子點(diǎn)，每次產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的單光子。

第二部分是超低損耗光量子線(xiàn)路。單光子通過(guò)開(kāi)關(guān)分成5路，通過(guò)光纖導入主體設備光學(xué)量子網(wǎng)絡(luò )。

第三部分是單光子探測器，探測矩陣中得到的量子計算結果。

而潘建偉團隊的實(shí)驗用光子實(shí)現量子計算過(guò)程，大部分實(shí)驗均在常溫下進(jìn)行。

圖 | “九章”量子計算原型機光路系統原理圖

他們將一束定制的激光分成強度相等的13條路徑，聚焦在25個(gè)晶體上產(chǎn)生25個(gè)特殊狀態(tài)的量子光源，光源通過(guò)2米自由空間和20米光纖（其中5米纏繞在一個(gè)壓電陶瓷上），進(jìn)入干涉儀和彼此 “對話(huà)”，最后的輸出結果由100個(gè)超導納米線(xiàn)單光子探測器探測，最終有76個(gè)探測器探測到了光子。

“高斯玻色采樣”是一種復雜的采樣計算，當問(wèn)題規模超過(guò)超過(guò)某個(gè)值時(shí)，任何傳統計算機都無(wú)法有效模擬，而玻色采樣就是這些特定問(wèn)題中的一個(gè)。但玻色采樣所需要的單光子源在實(shí)驗上很難大規模實(shí)現，因此人們考慮問(wèn)題的一個(gè)變種——高斯玻色，一個(gè)更高效的計算采樣概率的方法，大大減少了模擬采樣所需的代價(jià)。

根據目前最優(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100萬(wàn)億倍，等效對比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。

同時(shí)，通過(guò)高斯玻色取樣證明的量子計算優(yōu)越性不依賴(lài)于樣本數量，克服了谷歌53比特隨機線(xiàn)路取樣實(shí)驗中量子優(yōu)越性依賴(lài)于樣本數量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規模達到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規模是1016，目前全世界的存儲容量是1022）。

加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長(cháng) Barry Sanders 表示：

我認為這是一項杰出的工作，改變了當前的格局 ( It’s the game changer)。我們一直努力證明量子信息處理可以戰勝經(jīng)典的信息處理。這個(gè)實(shí)驗使經(jīng)典計算機望塵莫及。

去年，谷歌取得了一項巨大的成果，即量子計算優(yōu)越性，但這是有爭議的……這個(gè)實(shí)驗（潘建偉院士團隊的實(shí)驗）不存在爭論，毫無(wú)疑問(wèn)，該實(shí)驗取得的結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。

此外，基于“九章”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學(xué)習、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應用，將是后續發(fā)展的重要方向。

“九章”背后的團隊：量子優(yōu)越性實(shí)驗并不是一蹴而就

圖 | 左為陸朝陽(yáng)，右為潘建偉

在光量子信息處理方面，潘建偉團隊一直處于國際領(lǐng)先水平。

2017年，該團隊構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(jìn)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(shí)現了20光子輸入60模式干涉線(xiàn)路的玻色取樣，輸出復雜度相當于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

而本次成果，則進(jìn)一步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(lái)實(shí)現可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問(wèn)題的規?；孔幽M機奠定了技術(shù)基礎。

如今，各個(gè)國家都希望爭奪科技的制高點(diǎn)，量子科學(xué)的科技應用很可能是致勝的關(guān)鍵。

值得注意的是，相關(guān)的論文已經(jīng)于12月3日凌晨在線(xiàn)發(fā)表在國際知名的學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

《科學(xué)》雜志審稿人評價(jià)該工作是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗”、“一個(gè)重大成就”。此外，還有許多來(lái)自美國科學(xué)院、知名大學(xué)、研究機構的專(zhuān)家，對于此次量子科學(xué)領(lǐng)域的最新成果都給予了高度評價(jià)。

對于此次研究，參與者陸朝陽(yáng)在接受采訪(fǎng)時(shí)表示，希望這個(gè)工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預計將來(lái)會(huì )有提升的空間。量子優(yōu)越性實(shí)驗并不是一個(gè)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(huì )產(chǎn)生經(jīng)典計算機無(wú)法企及的算力。

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