潘建偉團隊實現「量子計算優越性」裡程碑 比谷歌快一百億倍

12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉、陸朝陽等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，成功構建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。

中國團隊首次突破量子優越性門檻

「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。將該量子計算機原型命名為「九章」，是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。

這項研究成果12月4日在線發表在《科學》雜誌上，論文標題為「使用光子的量子計算優勢」（quantum computational advantage using photons），通訊作者是中科大潘建偉教授。

「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，也就是說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。」中科大在一份聲明中表示。

業內認為，「九章」的出色表現，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。

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」。

「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。」

量子計算和經典計算的動態競爭

《科學》雜誌審稿人評價該工作是「一個最先進的實驗」和「一個重大成就」。研究人員預計潘建偉團隊的這項工作能夠提升經典算法模擬方面的工作，不過同時指出量子優越性實驗並不是一蹴而就的，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。

量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力，有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。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，也是歐美發達國家角逐的焦點。

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，並宣稱相較於當時世界最快的超級計算機「頂峰」實現了「量子優越性」。

不過谷歌的這項工作也引發了爭議。量子計算和經典計算的競爭是一個長期的動態過程，雖然人們操縱量子比特的數量和精準度在不斷提升，但是經典計算的算法和硬體也在不斷優化，超算工程的潛力更是不可小覷。

在國際上，業內公認量子計算機有三個指標性的發展階段，第一個階段是發展具備50-100個量子比特的高精度專用量子計算機，超越經典計算機實現「量子計算優越性」的裡程碑，這也是「九章」取得的第一個階段性的勝利。

「九章」也為量子計算機下一階段的發展奠定了基礎。第二階段科學家需要致力於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，比如量子化學、新材料設計、優化算法等。而「九章」量子計算原型機所完成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。

部分製藥行業高管預估，量子模擬可將藥物發現率提高5%到10%，並節省15%到20%的研發時間。與此同時，他們還認為更優的分子設計將推動藥物審批效率。波士頓諮詢（BCG）預測，到2030年，在製藥行業，量子計算市場規模將達200億美元，化學、材料科學等科技密集型產業的規模將達70億美元。

最後一個階段，是大幅度提高可操縱的量子比特數目和精度，研製可編程的通用量子計算原型機。BCG預計，第二階段和第三階段量子計算機發展的交界處，就是量子計算超越經典計算在特定應用中的臨界點。預計2030年之後，量子計算的發展將顯著加速。2031年到2042年，量子計算機將在模擬、搜索和運算中執行高級功能，實現各類商業應用，對比經典計算機具有明顯的優勢。

「如果三個階段全部完成，那麼就意味著人類實現了量子計算機的夢想，這將是人類實現第二次信息革命，全面進入量子資訊時代的標誌。」一位前中科院量子信息與量子科技創新研究院研究員對第一財經記者表示。