大突破！我國量子計算機實現算力全球領先

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。

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。

據了解，「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。

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」。