在量子計算領域，我國再次實現了里程碑式的重大突破!
12 月 4 日，中國科學技術大學宣布，該校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、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了 76 個光子 100 個模式的量子計算原型機 “九章”。
這一成果，使得我國成功達到了量子計算研究的第一個里程碑——量子計算優越性(Quantum Supremacy，國外也稱之為 “量子霸權”)。
值得一提的是，相關的論文已經于 12 月 3 日在線發表在國際知名的學術期刊《Science》上。
1、比當前最快超級計算機，快一百萬億倍
那么，量子計算原型機 "九章" 有多牛呢?
按官方說法，根據現有理論，該量子計算系統處理高斯玻色取樣(Gaussian Boson Sampling)的速度，比目前世界上最快的超級計算機快一百萬億倍。
據《知識分子》報道，“高斯玻色采樣” 是一種復雜的采樣計算，其計算難度呈指數增長，很容易超出目前超級計算機的計算能力，適合量子計算機來探索解決。它是 “玻色采樣” 問題的一種，而玻色采樣問題是量子信息領域第一個在數學上被嚴格證明可以用來演示量子計算加速的算法。
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 “富岳”需 6 億年。
不僅如此，"九章" 的表現，也遠遠超過了 Google 去年發布的量子計算成果。
據了解，2019 年 9 月，Google 宣布實現量子優越性，具體來說，Google 在一臺 53 比特的量子計算機上僅用 3 分 20 秒便完成了在超級計算機上需要一萬年的計算。當時，這被認為是量子計算領域的一次巨大突破，一些圈內人士紛紛表示 「或將迎來下一波科技浪潮」。
然而，從最新的數據來看，"九章" 的速度比去年 Google 發布的 53 個超導比特量子計算原型機 “懸鈴木”(sycamore)快 100 億倍——這也說明，我國量子計算機算力已經實現全球領先。
同時，"九章" 通過高斯玻色取樣證明的量子計算優越性不依賴于樣本數量，克服了 Google 53 比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴于樣本數量的漏洞。“九章”輸出量子態空間規模達到了 10 的 30 次方(“懸鈴木”輸出量子態空間規模是 10 的 16 次方，目前全世界的存儲容量是 10 的 22 次方)。
總體來看，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，基于 “九章”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，將是后續發展的重要方向。
2、"九章" 是如何構建的?
當前，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰之一，成為歐美各發達國家角逐的焦點。
為什么量子計算機這么重要?
據了解，量子計算機在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經濟價值的問題方面(如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等)相比經典計算機實現指數級別的加速。
需要說明的是，中國科學技術大學潘建偉團隊一直在光量子信息處理方面處于國際領先水平。
比如說，早在 2017 年，該團隊就已經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，團隊研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現了 20 光子輸入 60 模式干涉線路的玻色取樣，輸出復雜度相當于 48 個量子比特的希爾伯特態空間，逼近了 “量子計算優越性”。
這一次，該團隊通過自主研制同時具備高效率、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、波包重合度優于 99.5%、通過率優于 98% 的 100 模式干涉線路，相對光程 10-9 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 個模式的高斯玻色取樣量子計算原型機。
該原型機被命名為 “九章”，這一命名是為了紀念中國古代最早的數學專著《九章算術》。
不過，需要說明的是，其中，量子計算機發展分為三個階段，其中第一個階段是發展具備 50-100 個量子比特的高精度專用量子計算機，對于一些超級計算機無法解決的高復雜度特定問題實現高效求解，實現計算科學中 “量子計算優越性”的里程碑。
目前，"九章" 還處于第一階段。
而第三個階段的最終目標，則是實現可編程的通用量子計算原型機。
3、《科學》雜志：這是一個最先進的實驗
據了解，12 月 3 日，上述學術成果已經在美國《科學》雜志的網站上在線發表，標題為《Quantum computational advantage using photons》。
那么，同行人員是怎么說的呢?
據《科學》雜志的審稿人評價稱，該工作是 “一個最先進的實驗”(a state-of-the-art experiment)，“一個重大成就”(a major achievement)。
對于這一成就，德國馬克斯 · 普朗克量子光學研究所所長、沃爾夫獎得主、富蘭克林獎章得主 Ignacio Cirac 表示：
總體來說，這是量子科技領域的一個重大突破，朝著研制相比經典計算機具有量子優勢的量子設備邁出了一大步。我相信這項成果背后付出了巨大的技術努力。潘教授的團隊在世界上獨一無二的，他們產生了包括這個實驗在內的很多重大成果。
麻省理工學院副教授、美國青年科學家總統獎得主、斯隆獎得主 Dirk Englund 評價稱：
這是一個劃時代的成果。這是一個了不起的成就。這是開發這些中型量子計算機的里程碑。
維也納大學教授、美國物理學會會士 Philip Walther 表示：
他們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。
加拿大卡爾加里大學教授、量子科學和技術研究所所長 Barry Sanders 表示：
我認為這是一項杰出的工作，改變了當前的格局 ( It’s the game changer)。我們一直努力證明量子信息處理可以戰勝經典的信息處理。這個實驗使經典計算機望塵莫及。
去年，谷歌取得了一項巨大的成果，即量子計算優越性，但這是有爭議的…… 這個實驗(潘建偉院士團隊的實驗)不存在爭論，毫無疑問，該實驗取得的結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。
昆士蘭大學教授 Tim Ralph 也表示：
這是一個真正的 “英雄”實驗，將實驗各個方面的技術推進到遠遠超過以前的水平。該設備的規模是非凡的：100 模式干涉儀、25 個壓縮器提供輸入的量子態、使用 100 個單光子探測器進行探測，并且實現了同時保持高效率，穩定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計算優越性所必須的。
此外，還有來自美國科學院、瑞典皇家理工學院、美國耶魯大學、英國劍橋大學等研究機構的專家，對于上述量子科學領域的最新成果都給予了高度評價。
4、小結
眼下，量子計算還在科學研究領域不斷突破，但要從實驗室走向生活，還有很遠的距離。
對此，上述成果的參與者陸朝陽教授在接受《知識分子》采訪時表示，希望這個工作能夠激發更多的經典算法模擬方面的工作，也預計將來會有提升的空間，量子優越性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產生經典計算機無法企及的算力。
他還表示：
就像人們對激光的認識，從最初實驗室里的工具到許多意想不到的領域中的應用，量子計算機也許會遵循相似的路徑。在五年內，控制數百到數萬個量子比特的技術將成為現實，因此產生的量子模擬器和專用量子計算機或將成為物理學家、化學家和工程師在材料應用和藥物設計方面的重要工具。
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