文/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽等組成的研究團(tuán)隊(duì)與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)的快速求解。

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(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬億倍，等效地比谷歌2019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。這一成果使得我國成功達(dá)到了量子計(jì)算研究的第一個(gè)里程碑：量子計(jì)算優(yōu)越性（國外也稱之為“量子霸權(quán)”）。相關(guān)論文于2020年12月4日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題方面如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等，相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級別的加速。當(dāng)前，研制量子計(jì)算機(jī)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(dá)國家角逐的焦點(diǎn)。對于量子計(jì)算機(jī)的研究，本領(lǐng)域的國際同行公認(rèn)有三個(gè)指標(biāo)性的發(fā)展階段：

第一階段：發(fā)展具備50—100個(gè)量子比特的高精度專用量子計(jì)算機(jī)，對于一些超級計(jì)算機(jī)無法解決的高復(fù)雜度特定問題實(shí)現(xiàn)高效求解，實(shí)現(xiàn)計(jì)算科學(xué)中“量子計(jì)算優(yōu)越性”的里程碑。

第二階段：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(gè)量子比特的量子模擬機(jī)，用于解決若干超級計(jì)算機(jī)無法勝任的具有重大實(shí)用價(jià)值的問題，如量子化學(xué)、新材料設(shè)計(jì)、優(yōu)化算法等。

第三階段：通過積累在專用量子計(jì)算與模擬機(jī)的研制過程中發(fā)展起來的各種技術(shù)，提高量子比特的操縱精度使之達(dá)到能超越量子計(jì)算苛刻的容錯(cuò)閾值（＞99.9%），大幅度提高可集成的量子比特?cái)?shù)目（百萬量級），實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)量子邏輯門，研制可編程的通用量子計(jì)算原型機(jī)。

潘建偉團(tuán)隊(duì)一直在光量子信息處理方面處于國際領(lǐng)先水平。2017年，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)（ENIAC）的光量子計(jì)算原型機(jī)。2019年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(shí)現(xiàn)了20光子輸入60模式干涉線路的玻色取樣，輸出復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，逼近了“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

近期，該團(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)》）。

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，而“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”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。

《科學(xué)》雜志審稿人評價(jià)該工作是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”。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。

上述項(xiàng)目受到了中國科學(xué)院、科技部、安徽省、上海市的支持。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)新聞中心在調(diào)研專家?guī)斓幕A(chǔ)上，就這個(gè)工作采訪了多位國外相關(guān)領(lǐng)域的教授，包括多位沃爾夫獎(jiǎng)獲得者、美國科學(xué)院院士等資深專家。

德國馬普所所長、沃爾夫獎(jiǎng)獲得者、富蘭克林獎(jiǎng)?wù)芦@得者Ignacio Cirac說：“總體來說，這是量子科技領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有量子優(yōu)勢的量子設(shè)備邁出了一大步。我相信這項(xiàng)成果背后付出了巨大的技術(shù)努力。潘教授的團(tuán)隊(duì)在世界上是獨(dú)一無二的，他們產(chǎn)生了包括這個(gè)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的很多重大成果。”

奧地利科學(xué)院院長、沃爾夫獎(jiǎng)獲得者、美國科學(xué)院院士Anton Zeilinger說：“這項(xiàng)工作成果很重要，因?yàn)榕私▊ズ退耐伦C明，基于光子（光的粒子）的量子計(jì)算機(jī)也可能實(shí)現(xiàn)‘量子計(jì)算優(yōu)越性’。我預(yù)測很有可能有朝一日量子計(jì)算機(jī)會(huì)被廣泛使用。甚至每個(gè)人都可以使用?！?/p>

麻省理工學(xué)院副教授、美國青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)得主、斯隆獎(jiǎng)獲得者Dirk Englund說：“這是一個(gè)劃時(shí)代的成果。這是一個(gè)了不起的成就。這是開發(fā)這些中型量子計(jì)算機(jī)的里程碑。”

維也納大學(xué)教授、美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士Philip Walther說：“他們在實(shí)驗(yàn)中拿到了目前最強(qiáng)經(jīng)典計(jì)算機(jī)萬億年才能給出的計(jì)算結(jié)果，為量子計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)能力給出了強(qiáng)有力的證明。”

加拿大卡爾加里大學(xué)教授、量子科學(xué)和技術(shù)研究所所長Barry Sanders說：“我認(rèn)為這是一項(xiàng)杰出的工作，改變了當(dāng)前的格局。我們一直努力證明量子信息處理可以戰(zhàn)勝經(jīng)典的信息處理。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使經(jīng)典計(jì)算機(jī)望塵莫及。

“2019年，谷歌取得了一項(xiàng)巨大的成果，即量子計(jì)算優(yōu)越性，但這是有爭議的。谷歌的結(jié)果是，他們擁有一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，其性能比其他任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都要好。然后，IBM對此提出相反的論點(diǎn)：他們并未完全實(shí)現(xiàn)。質(zhì)疑是否真正地達(dá)到了量子計(jì)算優(yōu)越性。

“然而潘建偉院士團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)不存在爭議，毫無疑問，該實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)器的模擬能力。

“我想說的是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)挑戰(zhàn)非常巨大。為了獲得此結(jié)果，他們必須解決許多非常困難的技術(shù)問題。僅僅在技術(shù)層面上，他們所取得的成就也令人印象深刻。這是人們夢寐以求的實(shí)驗(yàn)，他們做成了，讓夢想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)?！?/p>

昆士蘭大學(xué)教授Tim Ralph說：“我相信潘教授和陸教授團(tuán)隊(duì)的論文是一個(gè)重大突破。這是一個(gè)真正的‘英雄’實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)各個(gè)方面的技術(shù)推進(jìn)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以前的水平。該設(shè)備的規(guī)模是非凡的：100模式干涉儀、25個(gè)壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用100個(gè)單光子探測器進(jìn)行探測，并且實(shí)現(xiàn)了同時(shí)保持高效率，穩(wěn)定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計(jì)算優(yōu)越性所必需的?！?/p>

美國科學(xué)院院士、沃爾夫獎(jiǎng)獲得者、狄拉克獎(jiǎng)?wù)芦@得者Peter Zoller說：“利用量子器件來解決日益復(fù)雜的問題并體現(xiàn)量子優(yōu)勢是量子科學(xué)前沿中的最重要問題之一。陸朝陽、潘建偉和同事們基于光子進(jìn)行的高斯玻色子采樣實(shí)驗(yàn)，無論是在量子系統(tǒng)的大小和擴(kuò)展性方面，還是在實(shí)際應(yīng)用的前景方面，都把研究水平提升到了一個(gè)新的高度?！?/p>

瑞典皇家理工學(xué)院教授Val Zwiller說：“著名的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道的量子計(jì)算優(yōu)越性的工作為量子科學(xué)樹立了一個(gè)新的重要里程碑，因?yàn)橐粋€(gè)重要的量子優(yōu)勢清楚地證明了其量子處理器的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于超級計(jì)算機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們克服了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，從而產(chǎn)生、操縱和探測非常大尺度的光量子態(tài)?！?/p>

美國耶魯大學(xué)教授、布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室量子優(yōu)勢合作設(shè)計(jì)中心主任、美國藝術(shù)和科學(xué)院院士、巴克萊獎(jiǎng)獲得者Steven Girvin說：“這是一個(gè)極其困難的、需要付出很大的努力來完善的工作。對此我印象非常深刻，我認(rèn)為這是我們控制量子系統(tǒng)能力的重要技術(shù)進(jìn)步?！?/p>

英國劍橋大學(xué)教授、英國物理學(xué)會(huì)托馬斯·楊獎(jiǎng)?wù)芦@得者M(jìn)ete Atature說：“對于量子計(jì)算這個(gè)蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域來說，這確實(shí)是一個(gè)驚艷的時(shí)刻。陸教授和潘教授的這一成就將光子和以基于光子的量子技術(shù)置于世界舞臺(tái)中央。通過這項(xiàng)工作，我們進(jìn)入了量子技術(shù)應(yīng)用的時(shí)代，與傳統(tǒng)方法相比，我們?nèi)〉昧丝捎|及的優(yōu)越性。”