我國實現「量子霸權」裡程碑:自主研製量子計算機 「九章」問世

2020-12-07 極客網FromGeek

12月4日消息（餘予）我國成功達到量子計算研究的第一個裡程碑：量子計算優越性（國外也稱之為「量子霸權」）。

來自中國科大的消息顯示，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。

根據現有理論，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，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。


圖片1：「九章」量子計算原型機光路系統原理圖：左上方雷射系統產生高峰值功率飛秒脈衝； 左方25個光源通過參量下轉換過程產生50路單模壓縮態輸入到右方100模式光量子幹涉網絡; 最後利用100個高效率超導單光子探測器對幹涉儀輸出光量子態進行探測。(製圖：陸朝陽，彭禮超)

這一重磅成果於今日凌晨在國際學術期刊《科學》在線發布，審稿人評價該工作是「一個最先進的實驗」，「一個重大成就」。

據了解，量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面相比經典計算機實現指數級別的加速，例如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等方面。

當前，研製量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰之一，成為歐美各發達國家角逐的焦點。

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」。


圖片2：光量子幹涉實物圖：左下方為輸入光學部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導單光子探測器連接。(攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓)

近期，該團隊成功構建了76個光子100個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機「九章」（命名為「九章」是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》）。

根據目前最優的經典算法，「九章」對於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「富嶽」快一百萬億倍，比谷歌去年發布的53比特量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍。同時，「九章」還克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴於樣本數量的漏洞。

據了解，「九章」輸出量子態空間規模達到了1030（「懸鈴木」輸出量子態空間規模是1016，目前全世界的存儲容量是1022）。

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。

除此之外，上述項目受到了中國科學院、安徽省、科技部、上海市和基金委的支持。

對此成果，研究人員希望這能夠激發更多的經典算法模擬方面的工作，也預計將來會有提升的空間。畢竟量子優越性實驗並不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬體之間的競爭，但最終量子並行性會產生經典計算機無法企及的算力。相信這一幕的出現不會太遠。

附：量子計算機研究的三個指標性發展階段

1.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。

2.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，用於解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題（如量子化學、新材料設計、優化算法等）。

3.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。

註：文中圖片均來源於中國科學技術大學新聞網。

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