“九章”問世，實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑

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隊與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心合作，構(gòu)建了76個光子100個模式的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(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算機“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(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(shè)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(dāng)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(lǐng)域的國際同行公認(rèn)有三個指標(biāo)性的發(fā)展階段：

第一階段：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(fù)雜度特定問題實現(xiàn)高效求解，實現(xiàn)計算科學(xué)中“量子計算優(yōu)越性”的里程碑。

第二階段：通過對規(guī)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(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(xué)、新材料設(shè)計、優(yōu)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(fā)展起來的各種技術(shù)，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(lǐng)先水平。2017年，該團隊構(gòu)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(fù)雜度相當(dāng)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(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(jì)念中國古代最早的數(shù)學(xué)專著《九章算術(shù)》）。

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?！熬耪隆陛敵隽孔討B(tài)空間規(guī)模達到了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)?；孔幽M機奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，基于“九章”量子計算原型機的高斯玻色取樣算法在圖論、機器學(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)》雜志審稿人評價該工作是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”。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(yù)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。

上述項目受到了中國科學(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、沃爾夫獎獲得者、富蘭克林獎?wù)芦@得者Ignacio Cirac說：“總體來說，這是量子科技領(lǐng)域的一個重大突破，朝著研制相比經(jīng)典計算機具有量子優(yōu)勢的量子設(shè)備邁出了一大步。我相信這項成果背后付出了巨大的技術(shù)努力。潘教授的團隊在世界上是獨一無二的，他們產(chǎn)生了包括這個實驗在內(nèi)的很多重大成果?！?/p>

奧地利科學(xué)院院長、沃爾夫獎獲得者、美國科學(xué)院院士Anton Zeilinger說：“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(xiàn)‘量子計算優(yōu)越性’。我預(yù)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?！?/p>

麻省理工學(xué)院副教授、美國青年科學(xué)家總統(tǒng)獎得主、斯隆獎獲得者Dirk Englund說：“這是一個劃時代的成果。這是一個了不起的成就。這是開發(fā)這些中型量子計算機的里程碑?！?/p>

維也納大學(xué)教授、美國物理學(xué)會會士Philip Walther說：“他們在實驗中拿到了目前最強經(jīng)典計算機萬億年才能給出的計算結(jié)果，為量子計算機的超強能力給出了強有力的證明?！?/p>

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。這個實驗使經(jīng)典計算機望塵莫及。

“2019年，谷歌取得了一項巨大的成果，即量子計算優(yōu)越性，但這是有爭議的。谷歌的結(jié)果是，他們擁有一臺量子計算機，其性能比其他任何經(jīng)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(xiàn)。質(zhì)疑是否真正地達到了量子計算優(yōu)越性。

“然而潘建偉院士團隊的實驗不存在爭議，毫無疑問，該實驗取得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機器的模擬能力。

“我想說的是，這個實驗技術(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驗，他們做成了，讓夢想走進現(xiàn)實?！?/p>

昆士蘭大學(xué)教授Tim Ralph說：“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(shù)推進到遠(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個壓縮器提供輸入的量子態(tài)、使用100個單光子探測器進行探測，并且實現(xiàn)了同時保持高效率，穩(wěn)定性和量子不可分辨性——這都是展示量子計算優(yōu)越性所必需的?！?/p>

美國科學(xué)院院士、沃爾夫獎獲得者、狄拉克獎?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行的高斯玻色子采樣實驗，無論是在量子系統(tǒng)的大小和擴展性方面，還是在實際應(yīng)用的前景方面，都把研究水平提升到了一個新的高度?！?/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)團隊報道的量子計算優(yōu)越性的工作為量子科學(xué)樹立了一個新的重要里程碑，因為一個重要的量子優(yōu)勢清楚地證明了其量子處理器的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于超級計算機。為了實現(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、布魯克海文國家實驗室量子優(yōu)勢合作設(shè)計中心主任、美國藝術(shù)和科學(xué)院院士、巴克萊獎獲得者Steven Girvin說：“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(rèn)為這是我們控制量子系統(tǒng)能力的重要技術(shù)進步。”

英國劍橋大學(xué)教授、英國物理學(xué)會托馬斯·楊獎?wù)芦@得者Mete Atature說：“對于量子計算這個蓬勃發(fā)展的領(lǐng)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(shù)置于世界舞臺中央。通過這項工作，我們進入了量子技術(shù)應(yīng)用的時代，與傳統(tǒng)方法相比，我們?nèi)〉昧丝捎|及的優(yōu)越性?！?/p>