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原标题:实现计算能力全球领先，中国量子计算原型“九章”问世
据中国科学技术大学12月4日消息，由潘建伟、卢朝阳组成的研究团队与中国科学院上海微系统研究所、国家并行计算机工程技术中心合作，搭建了一个76光子量子计算原型的“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色采样”任务的快速求解。根据现有理论，量子计算系统处理高斯玻色样本的速度比目前最快的超级计算机快100万亿倍(《九章》一分钟就能完成任务，超级计算机需要1亿年)。相当于比谷歌去年发布的53位超导量子计算原型“悬铃木”快100亿倍。这一成就使我国成功达到了量子计算研究的第一个里程碑:量子计算的优越性(国外也称“量子霸权”)。相关论文于12月4日在线发表在国际学术期刊《科学》上。
图一:“九章”量子计算原型光路系统示意图:左上激光系统产生高峰值功率的飞秒脉冲；左边25个光源通过参量下变频过程产生50个单模压缩态，输入右边100模光量子干涉网络；最后，用100个高效超导单光子探测器探测干涉仪输出的光量子态。(制图:陆朝扬、彭)
量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，在一些具有重大社会和经济价值的问题(如密码破解、大数据优化、材料设计、药物分析等)上有望实现比经典计算机指数级的加速。)通过特定的算法。目前，量子计算机的发展已经成为世界科技前沿最大的挑战之一，成为欧美发达国家竞争的焦点。对于量子计算机的研究，这一领域的国际同行认识到有三个指数发展阶段:
1.开发50-100量子位的高精度专用量子计算机，高效解决超级计算机无法解决的高度复杂的具体问题，实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。
第二，通过对大规模多体量子系统的精确制备、操纵和探测，研制出能够相干操纵数百个量子比特的量子模拟器，解决一些超级计算机无法解决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)。).
第三，通过积累专用量子计算和模拟器开发过程中开发的各种技术，可以提高量子位的操纵精度，达到可以超越量子计算的苛刻容错阈值(>:99.9%)，大幅增加集成量子位数量(百万级)，实现容错量子逻辑门，开发可编程通用量子计算原型。
潘建伟的团队在光量子信息处理方面一直处于国际领先水平。2017年，该团队建造了世界上第一台超越早期经典计算机(ENIAC)的光学量子计算原型。2019年，团队进一步研制出了世界上性能最高的确定性偏振、高纯度、高各向同性、高效率的单光子源，实现了20个光子输入60模干涉线的Bose采样。输出复杂度相当于48个量子比特的希尔伯特态空，接近“量子计算优势”。
图片2：光量子干涉实物图：左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。（摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓）
最近团队自主研发了一种高效率、高各向同性、极高亮度、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、波包符合率优于99.5%、通过率优于98%的要求。100模干涉线、10-9相对光程内的锁相精度和高效100通道超导纳米线单光子探测器成功构建了76光子100模高斯玻色
图3: 100模稳相干涉仪:光学量子干涉器件集成在20 cm*20 cm超低膨胀稳定基底玻璃上，用于实现50个单模压缩态之间的成对干涉，高精度锁定任意两束光束之间的相位。(照片:马、梁静、邓玉玺)
按照目前最好的经典算法，“九章”处理高斯玻色采样的速度比世界第一超级计算机“福越”快100万亿倍，相当于比谷歌去年发布的53位量子计算原型“悬铃木”快100亿倍。同时，高斯玻色采样证明的量子计算的优越性不依赖于样本数，克服了Google 53位随机电路采样实验中量子优越性依赖于样本数的漏洞。《九章》的输出量子态空的规模达到了1030(《悬铃木》的输出量子态空的规模是1016，目前世界上的存储容量是1022)。这一成果牢固确立了中国作为国际量子计算研究第一方阵的地位，为实现未来能够解决具有重大实用价值问题的大规模量子模拟器奠定了技术基础。此外，基于“九章”量子计算原型的高斯玻色采样算法在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在的应用，将是未来发展的重要方向。
图片4：光量子干涉示意图 （制图：文乐，罗弋涵）
《科学》杂志的评论者将这项工作评价为“最先进的实验”和“重大成就”。研究人员希望这项工作能够激发更多经典的算法模拟工作，预计未来会有空的改进。量子优势实验不是一蹴而就的任务，而是更快的经典算法和不断改进的量子计算硬件之间的竞争，但最终量子并行会产生超越经典计算机的计算能力。
以上项目得到了中国科学院、安徽省、科技部、上海市和中国基金会的支持。
