【新智元導讀】實現「量子計算優越性」（即量子霸權），中國科學家取得裡程碑式進展——成功構建了76個光子的量子計算原型機「九章」。根據現有理論，其速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍，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。
「量子霸權」再次被實現了嗎？
今日凌晨，國際著名學術期刊Science刊登了來自中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等研究團隊的重磅成果。
這篇論文名為「用光子實現量子計算優越性」（Quantum computational advantage using photons）。
根據現有理論，其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，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。
潘建偉團隊將該光量子計算系統命名為「九章」，是為了此紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。
這是一個裡程碑式的進展，代表著我國達到了量子計算優越性（也稱量子霸權）。
超越谷歌「量子霸權」，「玻色採樣」PK「隨機線路採樣」
什麼是量子霸權？
就在去年穀歌取得相關進展後，這個詞徹底走進了大眾的視野。
量子霸權的概念是加州理工的John Preskill教授在2012年提出來的。
一般指的是，量子計算在某一個問題上，可以解決經典計算機不能解決的問題或者是比經典計算機有顯著的加速(一般是指數加速)。
實現量子霸權有兩個難點：一是操縱量子比特的數量；二是操縱的量子比特的精準度。
去年，谷歌利用「隨機線路採樣」這一特定任務實現了所謂的量子霸權。在世界第一超算 Summit 需要計算 1 萬年的實驗中，谷歌的量子計算機只用了 200 秒。這一論文被發表在Nature上：
而另一個被認為能在量子霸權中實現突破的特定任務，叫做「玻色採樣」。這也是潘建偉團隊的領域。
玻色採樣是一種採樣任務，2010年由當時在MIT的Scott Aaronson和 Alex Arkhipov首次提出。
2010年，Scott Aaronson 和 Alex Arkhipov從理論上證明，n光子玻色取樣的分布概率正比於n維矩陣積和式(Permanent)的模方，這對經典算法來說是#P-complete困難的問題，隨著光子數的增加，求解步數呈指數增長。
對於這樣的問題，量子計算機在中小規模下就有可能打敗超級計算機。自此，「玻色採樣」問題被用來挑戰量子計算優越性。
「九章」量子計算原型機光路系統原理圖
但是實際操作中也有許多困難，要想成功，必須得在單光子源和幹涉儀上下功夫，單光子源的單光子性、全同性和提取效率要好，幹涉儀效率要高，波包重疊性也要好。
於是，人們想到了量子點光源，希望用量子點光源來產生真正的單光子。
2017年，中國科大潘建偉、陸朝陽團隊同樣把目光聚焦到了量子點光源。他們用一種共振激發的量子點光源，能產生確定性的高品質單光子，此外，他們自主設計研發了高效率的線性光學網絡。
光量子幹涉示意圖 （製圖：文樂，羅弋涵）
「九章」便採用的是這樣的方式，實現了76個量子位的計算，這比去年穀歌發布的量子計算機，其算法運行在一個由53個量子位組成的量子晶片上，在量子數量上超出了近50%，實現了所謂量子霸權的突破。
而且，與谷歌採用零下273攝氏度左右的超導線圈產生量子比特不同，潘建偉團隊的大部分實驗過程在常溫下進行。
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·阿塔圖爾克評價這一成果：「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。」
論文一作多為90後，「中國量子之父」徒弟也是大神
但凡對量子力學和量子計算有所關注的人，不可能不知道潘建偉。
畢業於中科大近代物理系，在奧地利完成博士學位的潘建偉，2001年起一手搭建起了中國的量子實驗室。這位中國科學技術大學的教授，中國科學院院士，時常被稱為「中國量子之父」——他當之無愧。
作為量子科學研究的「泰鬥」級人物，潘建偉和其團隊已經在這個領域取得過多項重大成果。
潘建偉不僅自己厲害，多年以來，他還為中國培養了一大批量子科學領域的頂尖人才。其中，比較著名的就是他的80後學生陸朝陽。
今年10月，美國物理學會（APS）宣布將2021年度羅夫·蘭道爾和查爾斯·本內特量子計算獎（2021 Rolf Landauer and Charles H. Bennett Award in Quantum Computing）頒給中國科學家陸朝陽，獎勵其「對光量子信息科學，尤其是固態量子光源、量子隱形傳態和光量子計算的突出貢獻」。
1998年春節前夕，陸朝陽所在的東陽中學邀請潘建偉在當時東陽最大的電影院發表了量子物理相關的匯報演講。這場科普報告也為陸朝陽打開了量子世界的大門。
2000年，陸朝陽從浙江東陽走出考入中科大。本科畢業後，恰好當時潘建偉從歐洲歸來組建實驗室，他如願跟隨恩師潘建偉從事光量子信息方面的研究工作。
此後，在老師潘建偉的指導和鼓勵下，陸朝陽不斷學習深造，也逐漸成為量子科學研究領域的佼佼者。
而這次在《科學》雜誌上發表的論文，第一作者也是幾個年輕人，鍾翰森、王輝、陳明城、鄧宇皓等人都是90後。
列入十四五規劃，中央表態，量子科技已成為國家戰略
量子科技有多重要？從國家對其的重視程度就可以看出。
10月16日，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。
領導人在主持學習時指出，要充分認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統布局，把握大趨勢，下好先手棋。
同時，領導人的講話中還從政策、資金、人才、科研、技術等方面，對大力推動量子科技發展做出了更進一步的要求：
這也意味著，繼區塊鏈之後，量子科技這一前沿科技也成為國家戰略，得到中央層面的大力支持，成為中國增強在科技領域國際核心競爭力的一步「先手棋」。
在11月初發布的十四五規劃建議中，量子科技再次成為中央重點規劃的戰略性技術之一。
「建議」指出：「要瞄準人工智慧、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學等前沿領域，實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。」
量子科技被排在了第2位，足見其在國家戰略層面的重要性。
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。