实现“量子霸权”！中国量子计算原型机“九章”问世
实现“量子霸权”！中国量子计算原型机“九章”问世
2020年12月，中国科学技术大学潘建伟团队成功构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，这一成果使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。
研制量子计算机是世界科技前沿的最大挑战之一。量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大社会和经济价值的问题方面（如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现指数级别的加速。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。
图1：九章量子计算原型机光路系统原理图
量子计算需经历“三步走”。量子计算机的研制是一个极具挑战并且周期可能较长的工作。实现计算科学中“量子计算优越性”、研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机、研制可编程的通用量子计算原型机，被认为是量子计算研究的3个里程碑。潘建伟表示，这一成果意味着我国成功达到量子计算研究的第一个里程碑——量子计算优越性，牢固确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现规模化量子模拟机奠定了技术基础。
实现“量子优越性”有两种路径。利用超导量子比特实现随机线路取样和利用光子实现玻色取样，是目前国际学术界公认的演示量子计算优越性的两大途径。在第二种路线上，中科大团队一直保持国际领先。2019年，他们实现了20光子输入60×60模式干涉线路的玻色取样量子计算，输出状态空间维数高达三百七十万亿，其复杂度相当于48个量子比特，逼近了“量子计算优越性”。
此次，潘建伟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的负9次方以内的锁相精度，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”，意为纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》。
图2：光量子干涉示意图
对此研究成果，潘建伟光量子计算团队已经进行了多年的“打怪升级”。最终攻克五大“关卡”：首先，它需要单模压缩态同时具备足够高的压缩参数、光子全同性和采集效率；其次，它需要大型干涉仪同时具备完全连通性、矩阵随机性、近似完美波包重叠和相位稳定，以及近统一传输速率；第三，它需要对单模压缩态中的所有光子数状态实现相位控制；第四，它需要高效探测器采集输出分布；最后，从巨大的输出态空间获得的稀少样本需要被验证，并且表现要与超级计算机形成比较。
该成果让我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。“量子优越性像个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机，就证明其未来有多方超越的可能。”中科大教授陆朝阳说，多年来国际学界高度关注、期待这个里程碑式转折点到来。去年9月，美国谷歌公司推出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学算法的计算只需200秒，而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需2天，实现了“量子优越性”。实验显示，“九章”的计算速度比“悬铃木”快100亿倍，并弥补了“悬铃木”依赖样本数量的技术漏洞。
多位国外相关领域的教授，包括多位沃尔夫奖获得者，美国科学院院士等资深专家，纷纷发表评论，盛赞中国科学家所取得的这一重大成就。