要聞 | 超越「量子霸權」！中國科學家成功構建量子計算原型機「九章」

2020-12-10 浦東國際人才港

從中國科學技術大學獲悉，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的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，構建了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。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。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。

▲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)

這一成果使得我國成功達到了量子計算研究的第一個裡程碑：量子計算優越性（國外也稱之為「量子霸權」）。相關論文於12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》。

量子計算機在原理上具有超快的並行計算能力。目前，量子計算原型機有望通過特定算法，在計算能力上實現相比於經典計算機的指數級提升，從而為解決一些具有重大社會和經濟價值的問題，如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等提供可能。


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，也是歐美發達國家競相角逐的焦點。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，團隊進一步研製了國際最高性能單光子光源，輸出了複雜度相當於48個量子比特的希爾伯特態空間，已逼近「量子計算優越性」。

▲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）

近年來，潘建偉團隊聯合中科院上海微系統與信息技術研究所、國家並行計算機工程技術研究中心，通過自主研製的同時具備高效率、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的-9次方以內的鎖相精度，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模式的高斯玻色取樣量子計算原型機「九章」，輸出量子態空間規模達到10的30次方——取名「九章」是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。

▲光量子幹涉示意圖 (製圖：文樂，羅弋涵)

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日本「富嶽」快一百萬億倍，即「九章」一分鐘完成的任務，「富嶽」需要算一億年。而且，「九章」還克服了谷歌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」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)

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。《科學》雜誌審稿人評價該工作是「一個最先進的實驗」「一個重大成就」。未來，這項工作預計還將有提升空間，並能激發更多經典算法模擬方面的工作。


該工作得到國際物理學界的廣泛認可和讚譽。美國物理學會會士、維也納大學教授飛利浦·沃爾特表示，潘建偉、陸朝陽團隊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。英國物理學會託馬斯·楊獎章獲得者、英國劍橋大學教授梅特·阿塔圖爾克說：「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。」奧地利科學院院長、沃爾夫獎得主、美國科學院院士安東·塞林格稱讚這項工作成果「非常重要」，並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。


這項工作得到了中國科學院、安徽省、科技部、上海市和國家自然科學基金委的支持。



（文章內容來源：上海科技公眾號

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