裡程碑式突破!我國量子計算原型機「九章」問世:從6億年到200秒

200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。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。

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從6億年到200秒

「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。

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」。

近期，潘建偉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」。

實驗顯示，當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣時，「九章」需200秒，而目前世界最快的超級計算機「富嶽」需6億年。等效來看，「九章」的計算速度比「懸鈴木」快100億倍，並彌補了「懸鈴木」依賴樣本數量的技術漏洞。

據悉，潘建偉團隊這次突破歷經20年，主要攻克高品質光子源、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。」潘建偉說，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。

與通用計算機相比，「九章」還只是「單項冠軍」。但其超強算力，在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。

12月4日，國際學術期刊《科學》發表了該成果，審稿人評價這是「一個最先進的實驗」、「一個重大成就」。

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邁進量子優越性的門檻

量子計算優越性（國外也稱之為「量子霸權」），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。

「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

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。對於量子計算機的研究，本領域的國際同行公認有三個指標性的發展階段：

第一階段：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。

第二階段：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）。

第三階段：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。

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」。

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》）。

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。

光量子幹涉示意圖

製圖：文樂，羅弋涵

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前途無量的量子計算

量子計算(Quantum Computing)是一種遵循量子力學規律調控量子信息單元進行計算的新型計算模式，即利用量子疊加和糾纏等物理特性，以微觀粒子構成的量子比特為基本單元，通過量子態的受控演化實現計算處理。對照於傳統的通用計算機，其理論模型是通用圖靈機；而通用的量子計算機，其理論模型即是用量子力學規律重新詮釋的通用圖靈機。

1982年，美國著名物理學家理察·費曼教授提出了量子計算的概念，並指出以量子力學為基礎的計算機在處理特定問題時，具有遠超傳統計算機的能力優勢。90年代先後誕生了著名的Shor分解算法、Grover搜索算法等，為後來量子計算技術的發展奠定了重要的理論基礎與實踐基石。

量子計算的主要原理就是利用了量子態的疊加性和糾纏性。比特作為計算的基本信息處理單元，具有0和1兩種邏輯態，且在經典計算模式只能處於0或1的一種，而量子比特卻能夠處於0和1的疊加態。換言之，每個經典存儲器僅能存儲0或1其中一個，而量子存儲器卻能同時存儲0和1。

量子力學態疊加原理使得量子信息單元的狀態可以處於多種可能性的疊加狀態，從而導致量子信息處理從效率上相比於經典信息處理具有更大潛力和更重要作用。因此，量子計算領域近年異常熱鬧，許多科研機構都已進軍量子計算領域，並取得了令人鼓舞的成就。

在量子計算賽道，谷歌、微軟、英特爾等美國科技企業擁有先發優勢，通過不同技術路徑不斷實現對更多量子比特的操縱。2019年10月，谷歌研究人員聲稱，基於一個包含54個量子比特的量子晶片開發了量子計算系統；該系統只用了約200秒就完成了傳統計算機大約需要1萬年才能完成的任務。

IBM執行長表示，他的公司的客戶最早可以在2023年使用量子計算技術並獲得豐厚的收益。

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備受好評的重磅研究成果

中國科學技術大學新聞中心在調研專家庫的基礎上，就這個工作以視頻或者文字的形式採訪了多位國外相關領域的教授，包括多位沃爾夫獎獲得者，美國科學院院士等資深專家。讓我們一起來聽聽他們的評價吧！

德國馬普所所長 沃爾夫獎得主 富蘭克林獎章得主Ignacio Cirac：

總體來說，這是量子科技領域的一個重大突破，朝著研製相比經典計算機具有量子優勢的量子設備邁出了一大步。我相信這項成果背後付出了巨大的技術努力。潘教授的團隊在世界上獨一無二的，他們產生了包括這個實驗在內的很多重大成果。

奧地利科學院院長 沃爾夫獎得主 美國科學院院士Anton Zeilinger：

這項工作成果很重要，因為潘建偉和他的同事證明，基於光子（光的粒子）的量子計算機也可能實現「量子計算優越性」。我預測很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛使用。甚至每個人都可以使用。

麻省理工學院副教授 美國青年科學家總統獎得主 斯隆獎得主Dirk Englund：

這是一個劃時代的成果。這是一個了不起的成就。這是開發這些中型量子計算機的裡程碑。

維也納大學教授 美國物理學會會士Philip Walther：

他們在實驗中拿到了目前最強經典計算機萬億年才能給出的計算結果，為量子計算機的超強能力給出了強有力的證明。

加拿大卡爾加裡大學教授 量子科學和技術研究所所長Barry Sanders：

我認為這是一項傑出的工作，改變了當前的格局( it’s the game changer)。我們一直努力證明量子信息處理可以戰勝經典的信息處理。這個實驗使經典計算機望塵莫及。

去年，谷歌取得了一項巨大的成果，即量子計算優越性，但這是有爭議的。谷歌的結果是，他們擁有一臺量子計算機，其性能比其他任何經典計算機都要好。然後，IBM對此提出相反的論點：他們並未完全實現。質疑是否真正的達到了量子計算優越性。

這個實驗（潘建偉院士團隊的實驗）不存在爭論，毫無疑問，該實驗取得的結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。

我想說的是，這個實驗技術挑戰非常巨大。為了獲得此結果，他們必須解決許多非常困難的技術問題。僅僅在技術層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實驗，他們做成了，讓夢想走進現實。

昆士蘭大學教授Tim Ralph：

我相信潘教授和陸教授團隊的論文是一個重大突破。這是一個真正的「英雄」實驗，將實驗各個方面的技術推進到遠遠超過以前的水平。該設備的規模是非凡的：100模式幹涉儀、25個壓縮器提供輸入的量子態、使用100個單光子探測器進行探測，並且實現了同時保持高效率，穩定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計算優越性所必須的。

美國科學院院士 沃爾夫獎得主 狄拉克獎章得主Peter Zoller：

利用量子器件來解決日益複雜的問題並體現量子優勢是量子科學前沿中的最重要問題之一。陸朝陽、潘建偉和同事們基於光子進行的高斯玻色子採樣實驗，無論是在量子系統的大小和擴展性方面，還是在實際應用的前景方面，都把研究水平提升到了一個新的高度。

瑞典皇家理工學院教授Val Zwiller：

著名的中國科學技術大學團隊報導的量子計算優越性的工作為量子科學樹立了一個新的重要裡程碑，因為一個重要的量子優勢清楚地證明了其量子處理器的表現遠遠優於超級計算機。為了實現這一目標，他們克服了重大的技術挑戰，從而產生、操縱和探測非常大尺度的光量子態。

美國耶魯大學教授 布魯克海文國家實驗室量子優勢合作設計中心主任 美國藝術和科學院院士 巴克萊獎獲得者Steven Girvin：

這是一個極其困難的，需要付出很大的努力來完善的工作。對此我印象非常深刻，我認為這是我們控制量子系統能力的重要技術進步。

英國劍橋大學教授 英國物理學會託馬斯.楊獎章獲得者Mete Atature：

對於量子計算這個蓬勃發展的領域來說，這確實是一個驚豔的時刻。陸教授和潘教授的這一成就將光子和以基於光子的量子技術置於世界舞臺中央。通過這項工作，我們進入了量子技術應用的時代，與傳統方法相比，我們取得了可觸及的優越性。

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番外閱讀：《九章算術》

《九章算術》是中國古代張蒼、耿壽昌所撰寫的一部數學專著。是《算經十書》中最重要的一部，成於公元一世紀左右。其作者已不可考。一般認為它是經歷代各家的增補修訂，而逐漸成為現今定本的，西漢的張蒼、耿壽昌曾經做過增補和整理，其時大體已成定本。最後成書最遲在東漢前期，現今流傳的大多是在三國時期魏元帝景元四年（263年），劉徽為《九章》所作的注本。

《九章算術》內容十分豐富，全書總結了戰國、秦、漢時期的數學成就。同時，《九章算術》在數學上還有其獨到的成就，不僅最早提到分數問題，也首先記錄了盈不足等問題，《方程》章還在世界數學史上首次闡述了負數及其加減運算法則。

它是一本綜合性的歷史著作，是當時世界上最簡練有效的應用數學，它的出現標誌中國古代數學形成了完整的體系。

（編輯：張毅，稿件資料來源：新華社、中國科學技術大學 、中國科技新聞網、中科院量子信息與量子科技創新研究院等）