12月4日，Science 刊發了中國科學家的一項重磅研究成果——中國科學技術大學潘建偉（2020騰訊科學WE大會演講嘉賓）、陸朝陽等組成的研究團隊，成功構建出76個光子的量子計算原型機「九章」，實現「量子計算優越性」裡程碑式突破。
在上個月的WE大會上，潘建偉院士也介紹了關於量子計算和量子通信的最新進展，戳下方視頻可以回顧——接下來，小WE姐給大家總結了這項研究中最需要了解的重點，一起來看看吧：
「量子計算優越性」（Quantum Supremacy，又譯「量子霸權」）是加州理工的John Preskill教授在2012年提出來的概念。一般指的是在某個任務上，量子計算可以解決經典計算機無法解決的問題，或者速度上相比經典計算機有指數級的提升。實現困難在於對量子比特的操縱需要達到一定數量，同時要進行精準操縱，是國際學界多年來競相追逐的一個裡程碑式轉折點。
去年9月，谷歌公司推出53個量子比特的計算機「懸鈴木」，在「隨機線路採樣」這一任務中只用了200秒，而當時世界最快的超級計算機-美國「頂峰」需要2天，因此實現了「量子優越性」。
除了谷歌選取的「隨機線路採樣」任務，難度頗高的「玻色子採樣」任務也是證明量子計算優勢的有力方式。由於解法數量會隨著變量增加而呈指數增長，所以比世界七大數學難題之一的「NP 完全問題」還難。
於是潘建偉團隊選擇向「玻色子採樣」任務衝鋒。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現在世界排名第一的超級計算機-日本「富嶽」快一百萬億倍。「九章」代表中國成為第二個實現「量子優越性」的國家。
雖然「九章」和谷歌「懸鈴木」處理的問題不同，但如果都和超算比的話，「九章」等效地比「懸鈴木」快了一百億倍。不僅如此，「九章」在證明量子計算優越性時並不依賴於樣本數量，克服了谷歌「懸鈴木」在實驗中依賴於樣本數量的缺陷。在輸出量子態空間規模上，「九章」 可達到1030，不僅超過了目前全世界的存儲容量1022，也超過了 「懸鈴木」 的輸出量子態空間規模1016。
最近，美國公布了量子計算領域的最新計劃，而歐盟、英國、日本等國也早有相應規劃。此次 「九章」 的成功研製，為中國在國際量子計算研究中牢固確立第一方陣地位奠定了基礎。
為達成這一突破，潘建偉團隊歷經20年，才終於攻克了高品質光子源、高精度鎖相、規模化幹涉三大技術難題。
「比如說，我們每次喝下一口水很容易，但每次喝下一個水分子很困難。」潘建偉在採訪中介紹道，光子源要保證每次只放出1個光子，且每個光子一模一樣，這是巨大挑戰。同時，鎖相精度要在10的負9次方以內，相當於100公裡距離的傳輸誤差不能超過一根頭髮直徑。
「九章」量子計算原型機光路系統原理圖
Science 審稿人評價這項工作是「一個最先進的實驗」（a state-of-the-art experiment），「一個重大成就」（a major achievement）。不過，與經典計算機相比，「九章」目前還只是「單項冠軍」。潘建偉認為本次取得的優越性「是一個動態過程，所有領先都只是暫時的」。未來，更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬體會繼續競爭下去，但研究人員相信，量子並行性最終會產生經典計算機無法企及的算力。基於「九章」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很大的應用潛力，將是後續發展的重要方向。
之所以取名「九章」，是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。話說研究團隊中的年輕人也是新晉大神，4位第一作者都是90後
除了潘建偉院士，今年的騰訊科學WE大會還邀請了多位世界頂尖科學家演講，錯過的小夥伴可以戳下方視頻回顧全程——
* 本文參考資料來自中國科學技術大學、新華社、科技日報、新智元、DeepTech深科技等。