12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年。這一突破使我國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。
「量子優越性像個門檻，是指當新生的量子計算原型機，在某個問題上的計算能力超過了最強的傳統計算機，就證明其未來有多方超越的可能。」中科大教授陸朝陽說，多年來國際學界高度關注、期待這個裡程碑式轉折點到來。
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)
去年9月，美國谷歌公司推出53個量子比特的計算機「懸鈴木」，對一個數學算法的計算只需200秒，而當時世界最快的超級計算機「頂峰」需2天，實現了「量子優越性」。
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，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」（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》）。
圖片3：100模式相位穩定幹涉儀：光量子幹涉裝置集成在20 cm*20 cm的超低膨脹穩定襯底玻璃上, 用於實現50路單模壓縮態間的兩兩幹涉，並高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。（攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓）
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，等效地比谷歌去年發布的53比特量子計算原型機「懸鈴木」快一百億倍。同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優越性不依賴於樣本數量，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。「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。
圖片4：光量子幹涉示意圖 (製圖：文樂，羅弋涵)
潘建偉介紹說，量子優越性的實現是量子計算研究的第一個裡程碑性目標。為了實現這一目標，他們在高斯波色採樣實驗當中構建了一個量子計算的原型機，比目前最快的超算快 10 的 14 次方倍。
10 的 14 次方倍是什麼概念？潘建偉給出了一個形象的解釋：「就相當於我這裡算一分鐘的東西，用『富嶽號』拿來算的話，要算一億年才能算完，這就叫做量子優越性。」這意味著，「我們總算可以演示（量子計算機的）某個功能比傳統的超級計算機算得好了，這樣的話我們就可以進一步地去尋找各種各樣的應用。」
潘建偉還介紹稱，他們將實現量子計算優越性的這臺量子原型機命名為「九章」，是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。「九章」初步展示了量子計算的強大算力，確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現規模化量子模擬機奠定了技術基礎。
在應用方面，潘建偉表示，「我們將把它初步用於量子化學、圖論組合數學的一些研究，甚至也可以用於一些機器學習的研究」。
在「九章」量子原型機的基礎上，研究團隊將通過提高量子比特的操縱精度等一系列技術攻關，力爭儘早研製出可編程的通用量子計算原型機。
「希望通過 15 年到 20 年的努力，研製出通用的量子計算機，這樣它就可以用來解決很多非常廣泛的問題。」潘建偉說道。隨著計算能力的進一步提升，量子計算機將有望在密碼破譯、材料設計、藥物分析等具有實用價值的領域發揮重要作用。
《科學》雜誌審稿人評價該工作是「一個最先進的實驗」（a state-of-the-art experiment），「一個重大成就」（a major achievement）。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。
團隊介紹
左：陸朝陽；右：潘建偉
潘建偉團隊一直是國內量子研究領域的領導者。由潘建偉團隊研發的墨子號量子科學實驗衛星是中科院空間科學戰略性先導科技專項於 2011 年首批確定的五顆科學實驗衛星之一。2017 年，利用「墨子號」，潘建偉團隊將量子糾纏分發的距離再提高一個量級，達到 1200 公裡。
潘建偉 1999 年獲奧地利維也納大學實驗物理博士學位，是中國科學技術大學教授、中國科學院院士、中科院量子信息與量子科技創新研究院院長、中科院量子科學實驗衛星先導專項首席科學家，主要從事量子光學、量子信息和量子力學基礎問題檢驗等方面的研究。
作為國際上量子信息實驗研究領域的開拓者之一，他是該領域有重要國際影響力的科學家。利用量子光學手段，他在量子調控領域取得了一系列有重要意義的研究成果，尤其是他關於量子通信和多光子糾纏操縱的系統性創新工作使得量子信息實驗研究成為近年來物理學發展最迅速的方向之一。
潘建偉教授的研究成果曾多次入選 Nature 雜誌評選的年度重大科學事件、美國 Science 雜誌評選的「年度十大科技進展」、英國物理學會評選的「年度物理學重大進展」、美國物理學會評選的「年度物理學重大事件」以及兩院院士評選的「中國年度十大科技進展新聞」。
「九章」的主要研究者之一陸朝陽博士，畢業於劍橋大學物理系，是中國科學技術大學教授。2011 年，陸朝陽入選劍橋大學邱吉爾學院 Fellow，2012 年獲得首批國家自然科學優秀青年基金，2014 年獲得香港求是傑出青年學者獎，2015 年獲得國家傑出青年科學基金、國家自然科學一等獎，2016 年被《自然》評為「中國科學之星」，併入選美國光學學會會士，2017 年獲得中國青年五四獎章、歐洲物理學會菲涅爾獎、TR35 中國科技創新青年，2018 年獲得中科院青年科學家獎，入選萬人計劃領軍人才，2019 年獲得中國物理學會黃昆半導體物理獎、科學探索獎、仁科芳雄亞洲獎、國際應用和純物理協會（IUPAP-ICO）光學青年科學家獎。
2020 年，陸朝陽被授予美國光學學會頒發的阿道夫隆獎章（Adolph Lomb Medal），這是該獎章設立 80 年來中國科學家獲獎。10 月，陸朝陽獲得美國物理學會授予的 2021 年度羅夫 · 蘭道爾和查爾斯 · 本內特量子計算獎。
來源：中國科學技術大學、新華社、機器之心