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里程碑：“九章”問世，中科大實現“量子霸權”

2020-12-04 14:43

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

轉載 | 中國科學技術大學

信息來源 | 中科院量子信息與量子科技創新研究院

北京時間12月4日，國際頂尖雜志《Science》刊發了中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊的一項重磅研究成果，讓我們一起來看看吧！

中國科學家實現“量子計算優越性”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100個模式的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解。

根據現有理論，該量子計算系統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：量子計算優越性（國外也稱之為“量子霸權”）。相關論文于12月4日在線發表在國際學術期刊《科學》。

圖(1) “九章”量子計算原型機光路系統原理圖

左上方激光系統產生高峰值功率飛秒脈沖；左方25個光源通過參量下轉換過程產生50路單模壓縮態輸入到右方100模式光量子干涉網絡; 最后利用100個高效率超導單光子探測器對干涉儀輸出光量子態進行探測。制圖：陸朝陽，彭禮超

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濟價值的問題方面（如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等）相比經典計算機實現指數級別的加速。當前，研制量子計算機已成為世界科技前沿的最大挑戰之一，成為歐美各發達國家角逐的焦點。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展階段：

第一階段

發展具備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高效求解，實現計算科學中“量子計算優越性”的里程碑。

第二階段

通過對規模化多體量子體系的精確制備、操控與探測，研制可相干操縱數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、優化算法等）。

第三階段

通過積累在專用量子計算與模擬機的研制過程中發展起來的各種技術，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目（百萬量級），實現容錯量子邏輯門，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空間，逼近了“量子計算優越性”。

圖(2) 光量子干涉實物圖

左下方為輸入光學部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學模式，分別通過低損耗單模光纖與100超導單光子探測器連接。攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓

近期，該團隊通過自主研制同時具備高效率、高全同性、極高亮度和大規模擴展能力的量子光源，同時滿足相位穩定、全連通隨機矩陣、波包重合度優于99.5%、通過率優于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學專著《九章算術》）。

圖(3) 100模式相位穩定干涉儀

光量子干涉裝置集成在20 cm*20 cm的超低膨脹穩定襯底玻璃上, 用于實現50路單模壓縮態間的兩兩干涉，并高精度地鎖定任意兩路光束間的相位。攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓

根據目前最優的經典算法，“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越性不依賴于樣本數量，克服了谷歌53比特隨機線路取樣實驗中量子優越性依賴于樣本數量的漏洞。“九章”輸出量子態空間規模達到了1030（“懸鈴木”輸出量子態空間規模是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，為未來實現可解決具有重大實用價值問題的規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，將是后續發展的重要方向。

圖(4) 光量子干涉示意圖，制圖：文樂，羅弋涵

《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更多的經典算法模擬方面的工作，也預計將來會有提升的空間。量子優越性實驗并不是一個一蹴而就的工作，而是更快的經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生經典計算機無法企及的算力。

上述項目受到了中國科學院、安徽省、科技部、上海市和基金委的支持。

中國科學技術大學新聞中心在調研專家庫的基礎上，就這個工作以視頻或者文字的形式采訪了多位國外相關領域的教授，包括多位沃爾夫獎獲得者，美國科學院院士等資深專家。讓我們一起來聽聽他們的評價吧！

德國馬普所所長沃爾夫獎得主富蘭克林獎章得主Ignacio Cirac：

總體來說，這是量子科技領域的一個重大突破，朝著研制相比經典計算機具有量子優勢的量子設備邁出了一大步。我相信這項成果背后付出了巨大的技術努力。潘教授的團隊在世界上獨一無二的，他們產生了包括這個實驗在內的很多重大成果。

奧地利科學院院長沃爾夫獎得主美國科學院院士Anton Zeilinger：

這項工作成果很重要，因為潘建偉和他的同事證明，基于光子（光的粒子）的量子計算機也可能實現“量子計算優越性”。我預測很有可能有朝一日量子計算機會被廣泛使用。甚至每個人都可以使用。

麻省理工學院副教授美國青年科學家總統獎得主斯隆獎得主Dirk Englund：

這是一個劃時代的成果。這是一個了不起的成就。這是開發這些中型量子計算機的里程碑。

維也納大學教授美國物理學會會士Philip Walther：

他們在實驗中拿到了目前最強經典計算機萬億年才能給出的計算結果，為量子計算機的超強能力給出了強有力的證明。

加拿大卡爾加里大學教授量子科學和技術研究所所長Barry Sanders：

我認為這是一項杰出的工作，改變了當前的格局( it’s the game changer)。我們一直努力證明量子信息處理可以戰勝經典的信息處理。這個實驗使經典計算機望塵莫及。

去年，谷歌取得了一項巨大的成果，即量子計算優越性，但這是有爭議的。谷歌的結果是，他們擁有一臺量子計算機，其性能比其他任何經典計算機都要好。然后，IBM對此提出相反的論點：他們并未完全實現。質疑是否真正的達到了量子計算優越性。

這個實驗（潘建偉院士團隊的實驗）不存在爭論，毫無疑問，該實驗取得的結果遠遠超出了傳統機器的模擬能力。

我想說的是，這個實驗技術挑戰非常巨大。為了獲得此結果，他們必須解決許多非常困難的技術問題。僅僅在技術層面上，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驗，他們做成了，讓夢想走進現實。

昆士蘭大學教授Tim Ralph：

我相信潘教授和陸教授團隊的論文是一個重大突破。這是一個真正的“英雄”實驗，將實驗各個方面的技術推進到遠遠超過以前的水平。該設備的規模是非凡的：100模式干涉儀、25個壓縮器提供輸入的量子態、使用100個單光子探測器進行探測，并且實現了同時保持高效率，穩定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計算優越性所必須的。

美國科學院院士沃爾夫獎得主狄拉克獎章得主Peter Zoller：

利用量子器件來解決日益復雜的問題并體現量子優勢是量子科學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行的高斯玻色子采樣實驗，無論是在量子系統的大小和擴展性方面，還是在實際應用的前景方面，都把研究水平提升到了一個新的高度。

瑞典皇家理工學院教授Val Zwiller：

著名的中國科學技術大學團隊報道的量子計算優越性的工作為量子科學樹立了一個新的重要里程碑，因為一個重要的量子優勢清楚地證明了其量子處理器的表現遠遠優于超級計算機。為了實現這一目標，他們克服了重大的技術挑戰，從而產生、操縱和探測非常大尺度的光量子態。

美國耶魯大學教授布魯克海文國家實驗室量子優勢合作設計中心主任美國藝術和科學院院士巴克萊獎獲得者Steven Girvin：

這是一個極其困難的，需要付出很大的努力來完善的工作。對此我印象非常深刻，我認為這是我們控制量子系統能力的重要技術進步。

英國劍橋大學教授英國物理學會托馬斯.楊獎章獲得者Mete Atature：

對于量子計算這個蓬勃發展的領域來說，這確實是一個驚艷的時刻。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置于世界舞臺中央。通過這項工作，我們進入了量子技術應用的時代，與傳統方法相比，我們取得了可觸及的優越性。

論文信息

Science 03 Dec 2020: eabe8770

DOI: 10.1126/science.abe8770

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