12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)要用6億年。這一突破使我國成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的國家。

“量子優(yōu)越性像個(gè)門檻，是指當(dāng)新生的量子計(jì)算原型機(jī)，在某個(gè)問題上的計(jì)算能力超過了最強(qiáng)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，就證明其未來有多方超越的可能?！敝锌拼蠼淌陉懗栒f，多年來國際學(xué)界高度關(guān)注、期待這個(gè)里程碑式轉(zhuǎn)折點(diǎn)到來。

圖片1：“九章”量子計(jì)算原型機(jī)光路系統(tǒng)原理圖 ：左上方激光系統(tǒng)產(chǎn)生高峰值功率飛秒脈沖；左方25個(gè)光源通過參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生50路單模壓縮態(tài)輸入到右方100模式光量子干涉網(wǎng)絡(luò); 最后利用100個(gè)高效率超導(dǎo)單光子探測器對干涉儀輸出光量子態(tài)進(jìn)行探測。(制圖：陸朝陽，彭禮超)

去年9月，美國谷歌公司推出53個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)“懸鈴木”，對一個(gè)數(shù)學(xué)算法的計(jì)算只需200秒，而當(dāng)時(shí)世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“頂峰”需2天，實(shí)現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”。

圖片2：光量子干涉實(shí)物圖：左下方為輸入光學(xué)部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個(gè)光學(xué)模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導(dǎo)單光子探測器連接。(攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓)

近期，潘建偉團(tuán)隊(duì)通過自主研制同時(shí)具備高效率、高全同性、極高亮度和大規(guī)模擴(kuò)展能力的量子光源，同時(shí)滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機(jī)矩陣、波包重合度優(yōu)于99.5%、通過率優(yōu)于98%的100模式干涉線路，相對光程10-9以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測器，成功構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”（命名為“九章”是為了紀(jì)念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》）。

圖片3：100模式相位穩(wěn)定干涉儀：光量子干涉裝置集成在20 cm*20 cm的超低膨脹穩(wěn)定襯底玻璃上, 用于實(shí)現(xiàn)50路單模壓縮態(tài)間的兩兩干涉，并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）

根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對于處理高斯玻色取樣的速度比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計(jì)算原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。同時(shí)，通過高斯玻色取樣證明的量子計(jì)算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞?！熬耪隆陛敵隽孔討B(tài)空間規(guī)模達(dá)到了1030（“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016，目前全世界的存儲(chǔ)容量是1022）。該成果牢固確立了我國在國際量子計(jì)算研究中的第一方陣地位，為未來實(shí)現(xiàn)可解決具有重大實(shí)用價(jià)值問題的規(guī)模化量子模擬機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于“九章號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)的高斯玻色取樣算法在圖論、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子化學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，將是后續(xù)發(fā)展的重要方向。

圖片4：光量子干涉示意圖 (制圖：文樂，羅弋涵)

《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)該工作是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”（a state-of-the-art experiment），“一個(gè)重大成就”（a major achievement）。研究人員希望這個(gè)工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)典算法模擬方面的工作，也預(yù)計(jì)將來會(huì)有提升的空間。量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計(jì)算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會(huì)產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法企及的算力。