中國科學(xué)家成功構(gòu)建量子計(jì)算原型機(jī)“九章”

從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，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)現(xiàn)有理論，該量子計(jì)算系統(tǒng)處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍。等效地，其速度比2019年谷歌發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)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。目前，量子計(jì)算原型機(jī)有望通過特定算法，在計(jì)算能力上實(shí)現(xiàn)相比于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的指數(shù)級(jí)提升，從而為解決一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問題，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等提供可能。

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，也是歐美發(fā)達(dá)國家競相角逐的焦點(diǎn)。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)一步研制了國際最高性能單光子光源，輸出了復(fù)雜度相當(dāng)于48個(gè)量子比特的希爾伯特態(tài)空間，已逼近“量子計(jì)算優(yōu)越性”。

近年來，潘建偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心，通過自主研制的同時(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(duì)光程10的-9次方以內(nèi)的鎖相精度，高效率100通道超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，成功構(gòu)建了76個(gè)光子100模式的高斯玻色取樣量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，輸出量子態(tài)空間規(guī)模達(dá)到10的30次方——取名“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)》。

根據(jù)目前最優(yōu)的經(jīng)典算法，“九章”對(duì)于處理高斯玻色取樣的速度，比目前世界排名第一的超級(jí)計(jì)算機(jī)日本“富岳”快一百萬億倍，即“九章”一分鐘完成的任務(wù)，“富岳”需要算一億年。而且，“九章”還克服了谷歌53比特隨機(jī)線路取樣實(shí)驗(yàn)中量子計(jì)算優(yōu)越性依賴于樣本數(shù)量的漏洞。

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)?；孔幽M機(jī)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)?！犊茖W(xué)》雜志審稿人評(píng)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”。未來，這項(xiàng)工作預(yù)計(jì)還將有提升空間，并能激發(fā)更多經(jīng)典算法模擬方面的工作。