潘建偉、陸朝陽團隊實現量子優越性：原型機九章登Science

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機器之心編輯部

近日，中國科學技術大學潘建偉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，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」，其處理特定問題的速度比目前最快的超級計算機「富嶽」快了一百萬億倍，同時也等效地比谷歌去年發布的 53 比特量子計算原型機「Sycamore」快一百億倍。

這一成果使我國實現了量子計算的第一個裡程碑——量子計算優越性，相關論文登上了國際頂級期刊《Science》雜誌。

論文連結：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770

量子優越性是指量子計算擁有的超越所有經典計算機的計算能力，即可以解決經典計算機不能解決的問題或比經典計算機有顯著的加速（一般是指數加速）。

為什麼量子計算機如此之快？中國科學技術大學教授陸朝陽介紹說，傳統計算機將所有數據存儲為 1 或 0，但量子計算機是利用量子力學的原理，可以允許一個物體同時處於多種狀態，比如說 0 和 1 同時存在，原理上叫做「並行計算」，很多任務可以一起完成。正是因為具有超快的並行計算能力，量子計算可望通過特定算法實現指數級別的加速。

中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉介紹說，量子優越性的實現是量子計算研究的第一個裡程碑性目標。為了實現這一目標，他們在高斯波色採樣實驗當中構建了一個量子計算的原型機，比目前最快的超算快 10 的 14 次方倍。

我國科學家最新研製成功的量子計算原型機。

10 的 14 次方倍是什麼概念？潘建偉給出了一個形象的解釋：「就相當於我這裡算一分鐘的東西，用『富嶽號』拿來算的話，要算一億年才能算完，這就叫做量子優越性。」這意味著，「我們總算可以演示（量子計算機的）某個功能比傳統的超級計算機算得好了，這樣的話我們就可以進一步地去尋找各種各樣的應用。」

潘建偉還介紹稱，他們將實現量子計算優越性的這臺量子原型機命名為「九章」，是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。「九章」初步展示了量子計算的強大算力，確立了我國在國際量子計算研究中的第一方陣地位，為未來實現規模化量子模擬機奠定了技術基礎。

在應用方面，潘建偉表示，「我們將把它初步用於量子化學、圖論組合數學的一些研究，甚至也可以用於一些機器學習的研究」。

在「九章」量子原型機的基礎上，研究團隊將通過提高量子比特的操縱精度等一系列技術攻關，力爭儘早研製出可編程的通用量子計算原型機。

「希望通過 15 年到 20 年的努力，研製出通用的量子計算機，這樣它就可以用來解決很多非常廣泛的問題。」潘建偉說道。隨著計算能力的進一步提升，量子計算機將有望在密碼破譯、材料設計、藥物分析等具有實用價值的領域發揮重要作用。

基於光子的量子計算機也能實現量子計算優越性

一直以來，高校和企業實驗室都在量子優越性方面保持競爭。去年，谷歌推出 54 個量子比特的計算機「Sycamore」，宣布實現量子優越性。在世界第一超算需要計算 1 萬年的實驗中，量子計算機只用了 3 分 20 秒。

量子計算機被認為能夠完成一些經典計算機難以完成的任務，玻色採樣也屬於此類任務，它是一種針對光子（玻色子）系統的量子優越性測試案例。理論上，經典計算機求解玻色採樣需要指數量級計算時間，而量子計算只需要多項式量級計算時間。與此同時，相比通用量子計算，玻色採樣更容易實現。

中科大的潘建偉、陸朝陽研究團隊將 50 個全同單模壓縮態輸入 100 模式超低損耗幹涉線路，利用 100 個高效單光子探測器進行高斯玻色採樣，輸出態空間維度達到了 10 的 30 次方，採樣速率比當前最先進的超級計算機要快上 10 的 14 次方 (百萬億) 倍。

實驗結果顯示，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「Sycamore」快 100 億倍，並彌補了「Sycamore」依賴樣本數量的技術漏洞。

「九章」量子計算原型機光路系統原理圖。

此外，在計算玻色採樣問題時，「九章」可以在室溫條件下運行（除光子探測部分需 4K 低溫），而谷歌的「Sycamore」實現量子優越性時必須全程在 - 273.12℃（30mK）的超低溫環境下運行。

據了解，研究團隊的這次突破前後歷經 20 年時間，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。

加拿大量子計算初創公司 Xanadu 執行長 Christian Weedbrook 表示，與谷歌的 Sycamore 相比，九章目前是不可編程的，因此在這一點上「不能用於解決實際問題」。

目前「九章」與通用計算機相比還只是「單項冠軍」，但在圖論、機器學習、量子化學等領域具有潛在應用價值。Weedbrook 補充說：「光子量子計算的起步時間比其他方法要晚，但可能超越其他方法。」

「九章」原型機的誕生在國際學術界也引起了廣泛關注。

倫敦帝國理工學院的物理學家 Ian Walmsley 表示：「這無疑是一個傑出的實驗，一個重要的裡程碑。」

麻省理工學院教授、美國青年科學家總統獎得主德克 · 英格倫評價說，「這是開發這些中型量子計算機的一個裡程碑」。奧地利科學院院長、美國科學院院士安東 · 蔡林格評價說，「這項成果很重要，證明了基於光子的量子計算機也可能實現量子計算優越性」。

高斯玻色採樣的共同提出者亞倫森表示，儘管谷歌的團隊去年已經實現 「量子霸權」，但這個概念非常重要，需要多個團隊用多種技術重複去證實，因此他非常高興看到這次的成果。

團隊介紹

左：陸朝陽；右：潘建偉。

潘建偉團隊一直是國內量子研究領域的領導者。由潘建偉團隊研發的墨子號量子科學實驗衛星是中科院空間科學戰略性先導科技專項於 2011 年首批確定的五顆科學實驗衛星之一。2017 年，利用「墨子號」，潘建偉團隊將量子糾纏分發的距離再提高一個量級，達到 1200 公裡。

潘建偉 1999 年獲奧地利維也納大學實驗物理博士學位，是中國科學技術大學教授、中國科學院院士、中科院量子信息與量子科技創新研究院院長、中科院量子科學實驗衛星先導專項首席科學家，主要從事量子光學、量子信息和量子力學基礎問題檢驗等方面的研究。

作為國際上量子信息實驗研究領域的開拓者之一，他是該領域有重要國際影響力的科學家。利用量子光學手段，他在量子調控領域取得了一系列有重要意義的研究成果，尤其是他關於量子通信和多光子糾纏操縱的系統性創新工作使得量子信息實驗研究成為近年來物理學發展最迅速的方向之一。

潘建偉教授的研究成果曾多次入選 Nature 雜誌評選的年度重大科學事件、美國 Science 雜誌評選的「年度十大科技進展」、英國物理學會評選的「年度物理學重大進展」、美國物理學會評選的「年度物理學重大事件」以及兩院院士評選的「中國年度十大科技進展新聞」。

「九章」的主要研究者之一陸朝陽博士，畢業於劍橋大學物理系，是中國科學技術大學教授。2011 年，陸朝陽入選劍橋大學邱吉爾學院 Fellow，2012 年獲得首批國家自然科學優秀青年基金，2014 年獲得香港求是傑出青年學者獎，2015 年獲得國家傑出青年科學基金、國家自然科學一等獎，2016 年被《自然》評為「中國科學之星」，併入選美國光學學會會士，2017 年獲得中國青年五四獎章、歐洲物理學會菲涅爾獎、TR35 中國科技創新青年，2018 年獲得中科院青年科學家獎，入選萬人計劃領軍人才，2019 年獲得中國物理學會黃昆半導體物理獎、科學探索獎、仁科芳雄亞洲獎、國際應用和純物理協會（IUPAP-ICO）光學青年科學家獎。

2020 年，陸朝陽被授予美國光學學會頒發的阿道夫隆獎章（Adolph Lomb Medal），這是該獎章設立 80 年來中國科學家獲獎。10 月，陸朝陽獲得美國物理學會授予的 2021 年度羅夫 · 蘭道爾和查爾斯 · 本內特量子計算獎。

參考連結：

http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73418.htm

http://news.cctv.com/2020/12/04/ARTIQWnwvPMotOYsHOmnXxgS201204.shtml

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/9/445318.shtm

https://quantum.ustc.edu.cn/web/node/32

http://news.ifeng.com/c/81udyc7BfiH