中国实现量子计算第一个里程碑：原型机 “九章”比最快的超级计算机快一百万亿倍

2020 年 12 月 4 日 CSDN

整理 | 高卫华

头图 | AAAS官网

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

12月4日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究团队发布了一项重磅研究成果：构建的76个光子的量子计算原型机“九章 ”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解。

目前这一研究论文已被国际顶尖杂志《Science》刊发，《Science》杂志的审稿人评价该工作是“一个最先进的实验”（a state-of-the-art experiment）、“一个重大成就”（a major achievement）。

根据现有理论，该量子计算系统处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍（“九章”一分钟完成的任务，超级计算机需要一亿年）。这一成果使得我国达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性，即量子霸权。

与传统的CPU不同，由于量子的特性多一个量子比特其整体的表示能力将翻倍。量子霸权是量子计算机能够解决经典计算机实际上无法解决的问题的潜在能力。量子优势是更快解决问题的能力。从计算复杂性理论的角度来说，这通常意味着提供一个超越已知或可能的经典算法的指数级加速。

2019年，谷歌曾发表过一篇论文：《A blueprint for demonstrating quantum supremacy with superconducting qubits》，通过超导量子位，展示了量子霸权的实现蓝图。

之后，谷歌又发表了一篇关于量子霸权（Quantum Supremacy）的论文，登上了Nature杂志150年刊的封面。论文中声称，谷歌的量子计算机仅用200秒就完成了传统计算机需要上万年才完成的任务。

但这项成果却存在争议，IBM对其提出了质疑：如果优化算法超算也仅需要几天时间就可以完成，完全谈不上什么霸权。

而对于此次的发布的“九章”，加拿大卡尔加里大学教授量子科学和技术研究所所长Barry Sanders表示，潘建伟院士团队的这项实验不存在争议，该实验取得的结果显然远远超出了传统机器的模拟能力。

事实上，根据目前最优的经典算法，“九章”对于处理高斯玻色取样的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，等效地比谷歌去年发布的53比特量子计算原型机Sycamore快一百亿倍。

“九章”量子计算原型机光路系统原理图 (制图：陆朝阳、彭礼超)

当前，研制量子计算机已成为世界科技前沿的最大挑战之一，成为欧美各发达国家角逐的焦点。量子计算机有望执行某些传统计算机难以处理的任务，其在原理上具有超快的并行计算能力。对于量子计算机的研究，本领域的国际同行公认有三个指标性的发展阶段：

一、发展具备50-100个量子比特的高精度专用量子计算机，对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

二、通过对规模化多体量子体系的精确制备、操控与探测，研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机，用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题（如量子化学、新材料设计、优化算法等）。

三、通过积累在专用量子计算与模拟机的研制过程中发展起来的各种技术，提高量子比特的操纵精度使之达到能超越量子计算苛刻的容错阈值（ >99.9%），大幅度提高可集成的量子比特数目（百万量级），实现容错量子逻辑门，研制可编程的通用量子计算原型机。

在光量子信息处理方面，潘建伟团队一直处于国际领先水平。2017年，该团队构建了世界首台超越早期经典计算机（ ENIAC ）的光量子计算原型机；2019年，团队进一步研制了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的国际最高性能单光子源，实现了20光子输入 60模式干涉线路的玻色取样，输出复杂度相当于 48个量子比特的希尔伯特态空间，逼近了“量子计算优越性”。

近期，该团队通过自主研制同时具备高效率、高全同性、极高亮度和大规模扩展能力的量子光源，同时满足相位稳定、全连通随机矩阵、波包重合度优于99.5%、通过率优于98%的100模式干涉线路，相对光程10-9以内的锁相精度，高效率100通道超导纳米线单光子探测器，成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”。

（论文链接：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/12/02/science.abe8770?rss=1）

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