我科學家到達「量子計算優越性」裡程碑

2020-12-05 中國青年報

「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)

光量子幹涉實物圖(攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓)

100模式相位穩定幹涉儀（攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓）

光量子幹涉示意圖 (製圖：文樂，羅弋涵)

中國青年報客戶端合肥12月4日電（中青報·中青網記者 王磊）記者從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、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。之所以命名為「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（「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。這一成果使得我國成功達到了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」）。相關論文於12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》上。

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（如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等）相比經典計算機實現指數級別的加速。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」。

近期，該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，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」，輸出量子態空間規模達到了10的30次方。

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」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。

《科學》雜誌審稿人評價該工作是「一個最先進的實驗」，「一個重大成就」。研究人員希望這個工作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。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。

來源：中國青年報客戶端

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