中國科學家實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑！

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(tǒng)所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。

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(tǒng)所、國家并行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。根據(jù)現(xiàn)有理論，該量子計算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍(“九章”一分鐘完成的任務，超級計算機需要一億年)。等效地，其速度比去年谷歌發(fā)布的53個超導比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。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(yōu)越性(國外也稱之為“量子霸權”)。相關論文于12月4日在線發(fā)表在國際學術期刊《科學》。

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(jīng)濟價值的問題方面(如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設計、藥物分析等)相比經(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。當前，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰(zhàn)之一，成為歐美各發(fā)達國家角逐的焦點。對于量子計算機的研究，本領域的國際同行公認有三個指標性的發(fā)展階段：

一、發(fā)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(xiàn)高效求解，實現(xiàn)計算科學中“量子計算優(yōu)越性”的里程碑。

二、通過對規(guī)?；囿w量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數(shù)百個量子比特的量子模擬機，用于解決若干超級計算機無法勝任的具有重大實用價值的問題(如量子化學、新材料設計、優(yōu)化算法等)。

三、通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發(fā)展起來的各種技術，提高量子比特的操縱精度使之達到能超越量子計算苛刻的容錯閾值(>99.9%)，大幅度提高可集成的量子比特數(shù)目(百萬量級)，實現(xiàn)容錯量子邏輯門，研制可編程的通用量子計算原型機。

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。2017年，該團隊構建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機(ENIAC)的光量子計算原型機。2019年，團隊進一步研制了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的國際最高性能單光子源，實現(xiàn)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(tài)空間，逼近了“量子計算優(yōu)越性”。

近期，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(guī)模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩(wěn)定、全連通隨機矩陣、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“九章”(命名為“九章”是為了紀念中國古代最早的數(shù)學專著《九章算術》)。

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計算機“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌去年發(fā)布的53比特量子計算原型機“懸鈴木”快一百億倍。同時，通過高斯玻色取樣證明的量子計算優(yōu)越性不依賴于樣本數(shù)量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。“九章”輸出量子態(tài)空間規(guī)模達到了1030(“懸鈴木”輸出量子態(tài)空間規(guī)模是1016，目前全世界的存儲容量是1022)。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(xiàn)可解決具有重大實用價值問題的規(guī)模化量子模擬機奠定了技術基礎。此外，基于“九章號”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(xù)發(fā)展的重要方向。

《科學》雜志審稿人評價該工作是“一個最先進的實驗”(a state-of-the-art experiment)，“一個重大成就”(a major achievement)。研究人員希望這個工作能夠激發(fā)更多的經(jīng)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(yōu)越性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經(jīng)典算法和不斷提升的量子計算硬件之間的競爭，但最終量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計算機無法企及的算力。