中國量子計算原型機九章問世,速度有多快?怎麼實現的?

新華社12月4日消息，我國科學家宣布構建了76個光子（量子比特）的量子計算原型機「九章」。中國在量子通信領域的世界領先地位已毋庸置疑，量子計算原型機的發布，把中國在量子計算領域又向前推進了一大步。tY6ednc

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，為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規模化量子模擬機奠定了技術基礎。此外，基於「九章號」量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用，將是後續發展的重要方向。tY6ednc

為什麼叫「九章」

「九章」得名於我國古代一部知名的數學專著，是中國古代張蒼、耿壽昌所撰寫。最後成書最遲在東漢前期。tY6ednc

《九章算術》內容十分豐富，全書總結了戰國、秦、漢時期的數學成就。同時，《九章算術》在數學上還有其獨到的成就，不僅最早提到分數問題，也首先記錄了盈不足等問題，《方程》章還在世界數學史上首次闡述了負數及其加減運算法則。它是一本綜合性的歷史著作，是當時世界上最簡練有效的應用數學，它的出現標誌中國古代數學形成了完整的體系。tY6ednc

「九章」有多快？

為何量子計算很重要？因為算力就是戰鬥力。量子計算的強大在於能夠提供強大算力。tY6ednc

本次中國發布了76個光子的量子計算原型機「九章」。以速度來看，求解數學算法高斯玻色取樣的速度只需200秒，而目前的超級計算機要用6億年。通常認為，50個量子比特是證明量子計算機有望超越傳統計算機的關鍵門檻。　tY6ednc

同等來比，該量子計算系統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（「九章」一分鐘完成的任務，超級計算機需要一億年）。等效地，其速度比去年穀歌發布的 53 個超導比特量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍。tY6ednc

中國科學技術大學宣布，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，構建了 76 個光子 100 個模式的量子計算原型機 「九章」，實現了具有實用前景的 「高斯玻色取樣」任務的快速求解。tY6ednc

潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處於國際領先水平。2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機。2019年，團隊進一步研製了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現了20光子輸入60模式幹涉線路的玻色取樣，輸出複雜度相當於48個量子比特的希爾伯特態空間，逼近了「量子計算優越性」。tY6ednc

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圖：「九章」量子計算原型機光路系統原理圖。 圖源：中國科學技術大學tY6ednc

潘建偉團隊通過自主研製同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優於 99.5%、通過率優於 98% 的 100 模式幹涉線路，相對光程 10-9 以內的鎖相精度，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」。tY6ednc

量子計算的三個階段

潘建偉院士認為量子計算的發展分為三個階段，現在已經走完第一階段。tY6ednc

他指出：第一階段，就是谷歌實現的量子霸權，即針對一些特殊問題，造出一臺比目前計算機更快的量子計算機，大概需要50個量子比特；（發展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機，對於一些超級計算機無法解決的高複雜度特定問題實現高效求解，實現計算科學中「量子計算優越性」的裡程碑。）tY6ednc

第二階段，希望能夠操縱幾百個量子比特，實現一種專用的量子模擬機，用於高溫超導機制、特殊材料設計等目前計算機無法處理的問題；（通過對規模化多體量子體系的精確製備、操控與探測，研製可相干操縱數百個量子比特的量子模擬機）tY6ednc

第三階段就是爭取未來二三十年，造出可編程的通用量子計算機。（通過積累在專用量子計算與模擬機的研製過程中發展起來的各種技術，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目（百萬量級），實現容錯量子邏輯門，研製可編程的通用量子計算原型機。）tY6ednc

責編：胡安tY6ednc