中國首次實現量子優越性！比最強超級計算機快一百萬億倍

金磊 發自 凹非寺
量子位 報導 | 公眾號 QbitAI

「比全球最快的超級計算機快一百萬億倍！」

「超越了谷歌量子計算優越性！」

「是裡程碑式突破！」

……

今天，潘建偉團隊所構建的「76個光子的量子計算原型機」一經問世，便引起了業界巨大的反響。

並且，在線發表在了國際學術期刊Science。

這臺量子計算原型機，名曰「九章」，取自我國古代最早的數學著作《九章算術》，其計算速度直接問鼎全球最快。

這一裡程碑式重大突破，是我國首次，也是全球第二個實現「量子優越性」的國家。

正如潘建偉表示：

這一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。

「九章」，問鼎世界第一

「九章」的速度有多快？

以玻色子採樣（boson sampling）問題為例，便可知其一二。

由於玻色子採樣裝置輸出配置的概率分布，和NP-Hard問題有關，所以很難在經典計算機中模擬。

因此，它被認為是可以證明量子優越性的問題之一。

在這次研究中，潘建偉團隊進行的實驗便是求解高斯玻色子採樣。其結果如下：

比目前全球最快的超級計算機（富嶽），快出了一百萬億倍。

比谷歌去年推出的53 個超導比特量子計算原型機「懸鈴木」，快一百億倍。

△ 「富嶽」超級計算機

具體而言，在5000萬個樣本情況下，「九章」在處理這個問題時，僅用了200秒。

若是換做「富嶽」，需要的時長是非常驚人的，長達6億年之久。

而即便是全年轟動一時的谷歌「懸鈴木」，在處理這個問題的時候，也要比「九章」慢得多。

△ 「懸鈴木」量子計算原型機

此外，根據另一組對比數據，也能從側面反映出「九章」之快。

去年「懸鈴木」在求解隨機線路採樣問題時，所需的時間也為200秒，但一是解決問題不同，二是樣本數量僅為100萬。

而用當時最快的超級計算機「Summit」來計算，需要2天的時間。

不難看出，這與「九章」和超級計算機的差距，不是在一個量級。

△ 「Summit」超級計算機

同樣作為量子計算原型機，「九章」與「懸鈴木」相比：

• 在室溫下環境下即可運行。
• 彌補了依賴樣本數量的技術漏洞。

那麼，「九章」具體是如何做到如此強悍的量子優越性的呢？

「九章」成功的關鍵

整體來看，潘建偉團隊此次成功構建的「九章」，是自主研製的76個光子 100 個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機。

量子光源方面，同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力。

100模式幹涉線路方面，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% 。

還具備相對光程 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。

根據根據中國科學技術大學官網介紹，下圖便是「九章」的光路系統原理圖。

• 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。

下圖則是光量子幹涉裝置，集成在20 cm x 20 cm的超低膨脹穩定襯底玻璃上。

這個裝置是用來實現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。

下圖是光量子幹涉的實物圖。

圖中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。

對於如此的研究工作，Science審稿人給出了這樣的評價：

一個最先進的實驗（a state-of-the-art experiment）。

一個重大成就（a major achievement）。

潘建偉團隊出品

潘建偉是中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長，對推動中國量子計算的發展貢獻了非常大的力量。

其團隊一直在光量子信息處理方面處於國際領先水平。

據中國科學技術大學官網介紹，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」。

除此之外，中國科學技術大學介紹，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：

• 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。
• 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）。
• 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。

而這次潘建偉團隊的重大突破，牢固確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位。

德國馬普學會量子光學研究所所長、沃爾夫獎得主Ignacio Cirac認為：

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，邁出一大步。

美國國家科學院院士、沃爾夫獎得主Peter Zoller表示：

該實驗無論是在量子系統大小和擴展性方面，還是在實際應用前景方面，都把研究水平提升到了一個新的高度。

最後，此次科研團隊的研究者們認為：

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。

參考連結：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770?rss=1
http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73418.htm

— 完 —

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